La física de la electricidad es algo con lo que cada uno de nosotros tiene que lidiar. En el artículo consideraremos los conceptos básicos asociados con él.
¿Qué es la electricidad? Para una persona no iniciada, se asocia con un relámpago o con la energía que alimenta la TV y la lavadora. Sabe que los trenes eléctricos usan energía eléctrica. ¿Qué más puede decir? Las líneas eléctricas le recuerdan nuestra dependencia de la electricidad. Alguien puede dar algunos otros ejemplos.
Sin embargo, muchos otros fenómenos no tan obvios, pero cotidianos, están relacionados con la electricidad. La física nos presenta a todos ellos. Comenzamos a estudiar electricidad (tareas, definiciones y fórmulas) en la escuela. Y aprendemos muchas cosas interesantes. Resulta que un corazón que late, un atleta que corre, un bebé que duerme y un pez que nada, generan energía eléctrica.
Electrones y protones
Vamos a definir los conceptos básicos. Desde el punto de vista de un científico, la física de la electricidad está asociada con el movimiento de electrones y otras partículas cargadas en varias sustancias. Por lo tanto, la comprensión científica de la naturaleza del fenómeno que nos interesa depende del nivel de conocimiento sobre los átomos y sus partículas subatómicas constituyentes. El diminuto electrón es la clave para esta comprensión. Los átomos de cualquier sustancia contienen uno o más electrones que se mueven en varias órbitas alrededor del núcleo, al igual que los planetas giran alrededor del sol. Por lo general, el número de electrones en un átomo es igual al número de protones en el núcleo. Sin embargo, los protones, al ser mucho más pesados que los electrones, pueden considerarse fijos en el centro del átomo. Este modelo extremadamente simplificado del átomo es suficiente para explicar los fundamentos de un fenómeno como la física de la electricidad.
¿Qué más necesitas saber? Los electrones y los protones tienen la misma carga eléctrica (pero diferente signo), por lo que se atraen entre sí. La carga de un protón es positiva y la de un electrón es negativa. Un átomo que tiene más o menos electrones de lo normal se llama ion. Si no hay suficientes de ellos en un átomo, entonces se llama un ion positivo. Si contiene un exceso de ellos, entonces se llama ion negativo.
Cuando un electrón sale de un átomo, adquiere algo de carga positiva. Un electrón, privado de su opuesto, un protón, se mueve a otro átomo o regresa al anterior.
¿Por qué los electrones abandonan los átomos?
Esto se debe a varias razones. La más general es que bajo la influencia de un pulso de luz o de algún electrón externo, un electrón que se mueve en un átomo puede salir de su órbita. El calor hace que los átomos vibren más rápido. Esto significa que los electrones pueden salir volando de su átomo. En las reacciones químicas, también se mueven de átomo aátomo.
Nuestros músculos proporcionan un buen ejemplo de la relación entre la actividad química y la eléctrica. Sus fibras se contraen cuando se exponen a una señal eléctrica del sistema nervioso. La corriente eléctrica estimula las reacciones químicas. Conducen a la contracción muscular. Las señales eléctricas externas se utilizan a menudo para estimular artificialmente la actividad muscular.
Conductividad
En algunas sustancias, los electrones bajo la acción de un campo eléctrico externo se mueven más libremente que en otras. Se dice que tales sustancias tienen buena conductividad. Se llaman conductores. Estos incluyen la mayoría de los metales, gases calentados y algunos líquidos. El aire, el caucho, el aceite, el polietileno y el vidrio son malos conductores de la electricidad. Se llaman dieléctricos y se utilizan para aislar buenos conductores. Los aisladores ideales (absolutamente no conductores) no existen. Bajo ciertas condiciones, los electrones pueden eliminarse de cualquier átomo. Sin embargo, estas condiciones suelen ser tan difíciles de cumplir que, desde un punto de vista práctico, tales sustancias pueden considerarse no conductoras.
Al familiarizarnos con una ciencia como la física (sección "Electricidad"), aprendemos que hay un grupo especial de sustancias. Estos son semiconductores. Se comportan en parte como dieléctricos y en parte como conductores. Estos incluyen, en particular: germanio, silicio, óxido de cobre. Debido a sus propiedades, el semiconductor encuentra muchas aplicaciones. Por ejemplo, puede servir como válvula eléctrica: como la válvula de un neumático de bicicleta,permite que las cargas se muevan en una sola dirección. Tales dispositivos se llaman rectificadores. Se utilizan en radios en miniatura, así como en grandes centrales eléctricas para convertir CA a CC.
El calor es una forma caótica de movimiento de moléculas o átomos, y la temperatura es una medida de la intensidad de este movimiento (en la mayoría de los metales, al disminuir la temperatura, el movimiento de electrones se vuelve más libre). Esto significa que la resistencia al libre movimiento de electrones disminuye al disminuir la temperatura. En otras palabras, la conductividad de los metales aumenta.
Superconductividad
En algunas sustancias a muy bajas temperaturas, la resistencia al flujo de electrones desaparece por completo, y los electrones, habiendo comenzado a moverse, lo continúan indefinidamente. Este fenómeno se llama superconductividad. A temperaturas de unos pocos grados por encima del cero absoluto (-273 °C), se observa en metales como el estaño, el plomo, el aluminio y el niobio.
Generadores Van de Graaff
El programa escolar incluye varios experimentos con electricidad. Hay muchos tipos de generadores, uno de los cuales nos gustaría hablar con más detalle. El generador Van de Graaff se utiliza para producir voltajes ultra altos. Si un objeto que contiene un exceso de iones positivos se coloca dentro de un recipiente, aparecerán electrones en la superficie interna de este último y la misma cantidad de iones positivos aparecerán en la superficie externa. Si ahora tocamos la superficie interna con un objeto cargado, todos los electrones libres pasarán a él. En el exteriorlas cargas positivas permanecerán.
En un generador Van de Graaff, los iones positivos de una fuente se aplican a una cinta transportadora dentro de una esfera de metal. La cinta está conectada a la superficie interna de la esfera con la ayuda de un conductor en forma de peine. Los electrones fluyen hacia abajo desde la superficie interna de la esfera. Los iones positivos aparecen en su lado exterior. El efecto se puede mejorar usando dos generadores.
Corriente eléctrica
El curso de física de la escuela también incluye algo como la corriente eléctrica. ¿Qué es? La corriente eléctrica se debe al movimiento de cargas eléctricas. Cuando se enciende una lámpara eléctrica conectada a una batería, la corriente fluye a través de un cable desde un polo de la batería a la lámpara, luego a través de su cabello, lo que hace que brille, y de regreso a través del segundo cable al otro polo de la batería.. Si se gira el interruptor, el circuito se abrirá, el flujo de corriente se detendrá y la lámpara se apagará.
Movimiento de electrones
La corriente en la mayoría de los casos es un movimiento ordenado de electrones en un metal que sirve como conductor. En todos los conductores y algunas otras sustancias siempre hay algún movimiento aleatorio, incluso si no fluye corriente. Los electrones en la materia pueden estar relativamente libres o fuertemente ligados. Los buenos conductores tienen electrones libres que pueden moverse. Pero en los malos conductores o aislantes, la mayoría de estas partículas están lo suficientemente conectadas con los átomos, lo que impide su movimiento.
A veces, el movimiento de electrones en una determinada dirección se crea de forma natural o artificial en un conductor. Este flujo se llama corriente eléctrica. Se mide en amperios (A). Los iones (en gases o soluciones) y los "agujeros" (f alta de electrones en algunos tipos de semiconductores) también pueden servir como portadores de corriente. Estos últimos se comportan como portadores de corriente eléctrica con carga positiva. Se necesita cierta fuerza para hacer que los electrones se muevan en una dirección u otra. En la naturaleza sus fuentes pueden ser: exposición a la luz solar, efectos magnéticos y reacciones químicas. a reacciones químicas. Ambos dispositivos, creando una fuerza electromotriz (EMF), hacen que los electrones se muevan en una dirección a través del circuito. El valor de EMF se mide en voltios (V). Estas son las unidades básicas de electricidad.
La magnitud de la EMF y la fuerza de la corriente están interconectadas, como la presión y el flujo en un líquido. Las tuberías de agua siempre están llenas de agua a cierta presión, pero el agua solo comienza a fluir cuando se abre el grifo.
Del mismo modo, un circuito eléctrico se puede conectar a una fuente de EMF, pero la corriente no fluirá en él hasta que se cree un camino para que los electrones se muevan. Puede ser, por ejemplo, una lámpara eléctrica o una aspiradora, el interruptor aquí juega el papel de un grifo que "libera" corriente.
La relación entre lo actual y lovoltaje
A medida que aumenta el voltaje en el circuito, también lo hace la corriente. Al estudiar un curso de física, aprendemos que los circuitos eléctricos constan de varias secciones diferentes: generalmente un interruptor, conductores y un dispositivo que consume electricidad. Todos ellos, conectados entre sí, crean una resistencia a la corriente eléctrica, que (asumiendo una temperatura constante) para estos componentes no cambia con el tiempo, pero es diferente para cada uno de ellos. Por lo tanto, si se aplica el mismo voltaje a una bombilla y a una plancha, entonces el flujo de electrones en cada uno de los dispositivos será diferente, ya que sus resistencias son diferentes. Por lo tanto, la fuerza de la corriente que fluye a través de cierta sección del circuito está determinada no solo por el voltaje, sino también por la resistencia de los conductores y dispositivos.
Ley de Ohm
El valor de la resistencia eléctrica se mide en ohmios (Ohm) en una ciencia como la física. La electricidad (fórmulas, definiciones, experimentos) es un tema muy amplio. No derivaremos fórmulas complejas. Para el primer contacto con el tema, lo dicho anteriormente es suficiente. Sin embargo, todavía vale la pena derivar una fórmula. Ella es bastante sencilla. Para cualquier conductor o sistema de conductores y dispositivos, la relación entre voltaje, corriente y resistencia viene dada por la fórmula: voltaje=corriente x resistencia. Esta es la expresión matemática de la ley de Ohm, llamada así por George Ohm (1787-1854), quien fue el primero en establecer la relación entre estos tres parámetros.
La física de la electricidad es una rama muy interesante de la ciencia. Hemos considerado sólo los conceptos básicos asociados con él. Sabías¿Qué es la electricidad y cómo se genera? Esperamos que encuentre útil esta información.
