Fundamentos de Electricidad

Transcripción

1 ESCUELA DE EDUCACIÓN TÉCNICA Nº 5 DE SAN MARTÍN GALILEO GALILEI Fundamentos de Electricidad Unidad Nº 1: Teoría atómica y concepto de Electricidad [2009] [Para ser utilizado como material de apoyo y consulta por alumnos de Escuelas Técnicas] Página 1

2 Teoría Atómica y concepto de Electricidad Todos tenemos alguna noción del concepto de Electricidad, sin embargo, si en éste preciso momento se nos pidiera alguna definición, algunos tendríamos dificultades. Solucionemos entonces nuestro problema de la mejor manera posible...(aprendiendo) Tomemos una porción de cualquier material común: agua por ejemplo. Si dividimos una gota de agua por la mitad,y continuamos repitiendo el procedimien_ to miles de veces, obtendremos gotas tan pequeñas que necesitaremos de un micros_ copio muy potente para observarlas. Aún así, cada una de esas pequeñisimas gotas, seguirá conservando las características propias del agua. En el caso de que ese supermicroscopio existiese, llegaría un momento en el que observaríamos algo como esto: Página 2

3 Hemos llegado al punto en que encontramos la molécula de agua,formada por tres partículas llamadas átomos (en éste caso, dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Existen alrededor de un centenar de átomos distintos que dan origen a lo que conocemos como elementos. El oxígeno, el hidrógeno, el carbono, el hierro, etc., son todos elementos. Entonces, en conclusión, todos los materiales están compuestos por moléculas formadas por combinaciones de átomos. La molécula es la porción más pequeña en que puede dividirse un material, y el átomo es la porción más pequeña en que puede dividirse un elemento sin perder sus propiedades Es decir,si a la molécula de agua le sacáramos un átomo, ya no se comportaría como agua. Y la electricidad????? Calma... hacia allá vamos. Modelo atómico Si tenemos en cuenta el modelo atómico de la figura, observamos que en el NÚCLEO del átomo, existen principalmente dos tipos de partículas: Página 3

4 NEUTRONES y PROTONES. Estos últimos tienen carga eléctrica positiva (ah!, aquí tenemos electricidad) y girando alrededor del núcleo están los ELECTRONES que son partículas con carga eléctrica negativa (más electricidad). Ahora, considerando que todas las cosas (inclusive nosotros mismos) están compues_ tas por átomos... LA ELECTRICIDAD ESTÁ EN TODAS PARTES Porqué entonces no se manifiesta siempre??????? Página 4

5 En el átomo del ejemplo tenemos la misma cantidad de protones que de electrones, y por lo tanto, las cargas eléctricas de distinto signo, están equilibradas EN CONDICIONES NORMALES,EL ÁTOMO ES ELÉCTRICAMENTE NEUTRO Pero como hacemos para poner de manifiesto la energía que contienen los átomos? Hay dos formas: La primera es romper el núcleo del átomo desprendiendo las partículas que lo componen (fisión nuclear),o fundir núcleos de átomos entre sí (fusión nuclear) Procesos éstos que liberan una enorme cantidad de energía, y por su complejidad no trataremos en éste curso (además son muy peligrosos) La segunda es desprender electrones de las últimas órbitas que están menos unidos al núcleo transformándolos en electrones libres. ENTONCES SI DESPRENDEMOS UN ELECTRÓN DE UN ÁTOMO,OBTENEMOS DOS NUEVAS PARTÍCULAS CON CARGAS ELÉCTRICAS DISTINTAS,ROMPIENDO EL EQUILIBRIO,Y LA ELECTRICIDAD SE PONE DE MANIFIESTO Página 5

6 Por un lado nos queda el átomo al cual le faltan electrones que, en consecuencia, es una partícula con carga positiva que llamaremos Ión +, y un electrón libre que ya no pertenece más a su átomo original y que se encuentra en algún lugar del espacio inter atómico (espacio que existe entre átomo y átomo) y que recibe el nombre de Ión - Átomo completo Átomo incompleto Electrón libre (neutro) (Ión+) (Ión-) CUANDO SE DESPRENDE UN ELECTRÓN DE UN ÁTOMO SE FORMAN DOS NUEVAS PARTÍCULAS CON CARGA ELÉCTRICA DISTINTA LLAMADAS IONES Pero como haremos para desprender electrones de sus átomos? Básicamente existen seis formas de hacerlo: * ACCIÓN QUÍMICA * * MAGNETISMO * *LUZ * * CALOR * * PRESIÓN * * FROTAMIENTO * Página 6

7 Necesitan una breve explicación de cada una? Formas de generar Electricidad 1. Acción química : Es la electricidad producida por una reacción química dentro de una pila o batería 2. Magnetismo: Electricidad producida por el movimiento entre un conductor y un imán (generadores) 3. Luz: Electricidad producida por luz incidente sobre un elemento fotosensible (Panel solar, fotocélula) 4. Calor: Electricidad producida por el calentamiento de la unión de una termocupla (dos metales que disipan el calor de forma distinta soldados en un extremo) 5. Presión: Electricidad producida aplicando presión sobre un cristal piezoeléctrico (Magiclick) 6. Frotamiento: Electricidad producida frotando dos materiales #Para más información ver apéndice 1:Métodos de producción de energía eléctrica Página 7

8 Por cualquiera de éstos métodos podemos romper el equilibrio eléctrico de los átomos y hacer que los cuerpos queden cargados eléctricamente en forma positiva o negativa Cuerpo eléctricamente neutro _ Cuerpo cargado negativamente (exceso de electrones) Cuerpo cargado positivamente (falta de electrones) TENEMOS CUERPOS CON DISTINTA CARGA ELÉCTRICA SE DICE ENTONCES QUE ENTRE ELLOS HAY DIFERENCIA DE POTENCIAL ELÉCTRICO Ó TENSIÓN TENSIÓN Página 8

9 Pero, qué sucede con las cargas eléctricas? Así como los imanes generan un campo magnético a su alrededor, las cargas eléctricas generan un campo eléctrico. Si enfrentamos polos idénticos de dos imanes (norte con norte o sur con sur),se producen fuerzas de repulsión N S S N Cuando se enfrentan polos opuestos, se producen fuerzas de atracción N S N S Éstas son fuerzas de origen magnético Si enfrentamos cargas eléctricas de igual signo entre sí, (positivo con positivo o negativo con negativo),se producen fuerzas de repulsión (-) (-) Cuando se enfrentan cargas de distinto signo, se producen fuerzas de atracción (-) (+) Éstas son fuerzas de origen eléctrico. Página 9

10 Página 10 Fundamentos de Electricidad Veamos: Hasta aquí tenemos cargas eléctricas en reposo, o sea, partículas que no se mueven. Esto recibe el nombre de Electricidad estática. Pongamos ahora los electrones en movimiento... Bueno...mejor dejemos que la naturaleza lo haga. En la naturaleza, siempre se tiende a un estado de equilibrio Si tenemos cuerpos con distinta carga eléctrica: Negativo (Sobran electrones) Positivo (faltan electrones) Y los unimos mediante un conductor: Corriente Los electrones sobrantes se trasladan hacia la parte positiva para unirse a los átomos incompletos A ÉSTE MOVIMIENTO DE ELECTRONES SE LO DENOMINA : CORRIENTE ELÉCTRICA

11 Página 11 Fundamentos de Electricidad CORRIENTE Entonces, que circule corriente eléctrica depende de que exista una diferencia de carga eléctrica o tensión, verdad? Si no hubiera tensión, todo estaría en equilibrio y los electrones no se moverían. Pero la corriente no depende de nada más? Que se mueva el móvil de la figura depende de la inclinación del camino (diferencia de altura) que podríamos comparar con la diferencia de potencial (tensión) Pero si el camino presenta dificultades, no bajará más despacio, e incluso pudiera llegar a detenerse si es muy irregular? Bueno, en el caso anterior también depende de la dificultad que encuentren los electrones en su camino. A ÉSTA OPOSICIÓN QUE OFRECEN LOS MATERIALES AL PASO DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA LA LLAMAMOS RESISTENCIA RESISTENCIA

12 Página 12 Fundamentos de Electricidad A los materiales que presentan poca resistencia se los llama conductores, y a los que tienen mucha resistencia, aisladores. #Para más información ver apéndice II: Conductores y aisladores Conectando una pila con una lámpara, los electrones de la parte negativa son atraídos hacia la parte positiva debido a la diferencia de potencial, formando así una corriente eléctrica en el conductor. La lámpara frena la corriente, en este caso para producir luz y calor y representa la resistencia del circuito. Comparemos el funcionamiento de un circuito eléctrico con uno hidráulico. Jugo de Pitufo Q En la figura observamos dos recipientes, uno conteniendo un líquido y el otro vacío. Ambos están unidos por una cañería con una válvula de paso. Por diferencia de presión, el líquido es conducido por la cañería hacia el tanque vacío. La válvula, que puede abrirse o cerrarse, regula el caudal de líquido que circula. Cuando los recipientes quedan con el mismo nivel, el sistema queda en equilibrio. Entonces podemos comparar: La diferencia de presión inicial en los recipientes equivale a la Tensión en el circuito eléctrico. El caudal de líquido equivale a la Corriente eléctrica. La válvula de paso equivale a la Resistencia.

13 Página 13 Fundamentos de Electricidad En el circuito eléctrico, cuando el exceso de electrones de la parte negativa se termina, no hay más tensión y la corriente se detiene, lo que significa que la pila se ha agotado. Nos estamos olvidando algo????? Detesto olvidarme las cosas!!!!!!! Ah... si!!! Se acuerdan de las fuerzas que existen entre cargas eléctricas? LAS FUERZAS QUE HACEN MOVER A LOS ELECTRONES SE LLAMAN FUERZAS ELECTRO MOTRICES FUERZA ELECTRO MOTRÍZ