¿Cómo funciona la electricidad? En este artículo aprenderemos los conceptos básicos que explican el funcionamiento de la electricidad según la teoría clásica. Hablaremos de átomos, electrones, protones y neutrones, para luego pasar a la diferencia entre conductores y aislantes, cables, circuitos, voltios y tensión, corrientes y amperios, resistencias, resistencia y ohmios, inducción e inductores, transformadores, condensadores y, por último, la diferencia entre corriente alterna y corriente continua. Estos son los conceptos básicos que hay que asimilar para comprender cómo funciona la electricidad antes de pasar a áreas más avanzadas de la ingeniería eléctrica y electrónica.
El átomo
Todo está compuesto por átomos, ¡incluido tú! Los diferentes materiales tienen diferentes tipos de átomos. En el centro de un átomo se encuentra el núcleo, que alberga dos partículas conocidas como neutrones y protones. El neutrón no tiene carga eléctrica, pero el protón tiene una carga eléctrica positiva.
Alrededor del núcleo hay diferentes capas de órbitas que actúan como trayectorias de vuelo para otro tipo de partícula conocida como electrón. Los electrones se desplazan por estas trayectorias de forma muy similar a como los satélites orbitan alrededor de nuestro planeta, salvo que los electrones viajan casi a la velocidad de la luz.
La carga negativa de los electrones es atraída por la carga positiva del protón, lo que mantiene a los electrones en órbita. Cada capa orbital puede albergar un número determinado de electrones. El número de protones, neutrones y electrones que tiene un átomo nos indica de qué material se trata, y la combinación es única para cada material.
Los átomos retienen sus electrones con fuerza, pero algunos materiales los retienen con más fuerza que otros. La capa orbital más externa se conoce como capa de valencia y, en esta capa, algunos materiales tienen electrones con enlaces débiles que pueden pasar a otros átomos.
Conductores y aislantes
Los materiales que pueden dejar pasar electrones se conocen como «conductores», lo que significa que pueden conducir la electricidad. La mayoría de los metales son conductores. Los átomos que no tienen electrones libres se conocen como aislantes; materiales como el vidrio y el caucho son buenos ejemplos de ello.
Podemos combinar conductores y aislantes para utilizar la electricidad de forma segura. Esto se consigue rodeando el conductor con un aislante, lo que permite que los electrones fluyan, pero restringe el lugar al que pueden llegar. Así es como funcionan los cables y los alambres.
Cables
Si miramos dentro de un trozo de cable de cobre, veríamos que los electrones libres de los átomos se mueven de un átomo a otro; sin embargo, esto ocurre aleatoriamente en cualquier dirección.
Si la sección del cable se conectara entonces en un circuito cerrado a una fuente de energía, como una batería, el voltaje obligaría a los electrones libres a moverse y esto haría que todos fluyeran en la misma dirección, para intentar volver al otro terminal de la batería.
Circuitos
El término «circuitos» se refiere a una ruta por la que los electrones pueden fluir para desplazarse entre los dos terminales de la fuente de energía (positivo y negativo).
Cuando un circuito está cerrado, los electrones pueden fluir de un terminal al otro. Cuando un circuito está abierto, hay una interrupción en el circuito, por lo que los electrones no pueden fluir.
Podemos colocar componentes eléctricos en la trayectoria de los electrones libres que fluyen en un circuito. Esto obligará a los electrones a fluir a través del componente, lo que puede utilizarse para realizar trabajos como generar luz.
Voltios y tensión
La tensión es la fuerza de empuje de los electrones en un circuito, muy similar a la presión en una tubería de agua. Cuanta más presión haya, más agua puede fluir. Cuanta más tensión haya, más electrones pueden fluir.
Un voltio es un julio por culombio. Un julio es una medida de energía o trabajo. Un culombio es un grupo de electrones en movimiento.
Una pila de 9 V puede proporcionar 9 julios de energía, en forma de trabajo o calor, por cada grupo de electrones que fluye de un terminal de la pila al otro. En este caso, los electrones van desde un terminal de la pila, pasan por la bombilla LED y llegan al otro terminal de la pila. Por lo tanto, la bombilla produce 9 julios de luz y calor.
Corriente, amperios y amperios
La corriente es el flujo de electrones. Cuando un circuito está cerrado, puede fluir una corriente de electrones, y cuando un circuito está abierto, no puede fluir corriente. Podemos medir el flujo de electrones igual que se mide el flujo de agua a través de una tubería.
Para medir el flujo de electrones utilizamos la unidad de amperios, o «A» para abreviar. 1 Amperio equivale a 1 culombio por segundo, y un culombio equivale a 6 242 000 000 000 000 000 de electrones. Se trata de una cifra extremadamente grande. Es decir, se necesitan 6,241 509 074 460 763 × 1018 electrones para reunir un culombio de carga negativa.
Resistencias y resistencia
La resistencia es una restricción al flujo de electrones en un circuito. Los cables que transportan la corriente tendrán, naturalmente, cierta resistencia. Cuanto más largo es el cable, mayor es la resistencia. Cuanto más grueso es el cable, menor es la resistencia. La resistencia al flujo de electrones es diferente para cada material; la temperatura del material también afectará al nivel de resistencia.
Los circuitos eléctricos utilizan componentes especialmente diseñados, conocidos como resistencias, para restringir deliberadamente el flujo de electrones. Esto se utiliza para proteger a otros componentes eléctricos de recibir demasiada corriente y también puede utilizarse para generar luz y calor, como en una bombilla incandescente.
La resistencia se produce cuando los electrones chocan con los átomos. El número de colisiones varía según el material; algunos materiales, como el hierro, tienen una tasa de colisiones muy alta, mientras que otros, como el cobre, tienen muchas menos colisiones.
Cuando se producen colisiones, los átomos generan calor y, a cierta temperatura, el material comienza a producir luz además de calor; así es como funcionan las lámparas incandescentes.
Inductores e inducción
Cuando se enrolla un cable en una bobina, este produce un campo magnético al pasar la corriente a través de él. El cable crearía naturalmente el campo magnético, pero este se intensifica gracias a la forma de la bobina. Al enrollar el cable en una bobina, el campo magnético se vuelve tan fuerte que empieza a afectar a los electrones del interior del cable.
Podemos aumentar la intensidad del campo magnético simplemente enrollando el cable alrededor de un núcleo de hierro. Podemos aumentar el número de vueltas dentro de la bobina y también podemos aumentar la cantidad de corriente que pasa por el circuito para producir campos magnéticos más grandes y potentes. Así es como funcionan los electroimanes; también es la base del funcionamiento de los motores de inducción.
Cuando un campo magnético atraviesa una bobina de alambre, induce un voltaje en el alambre debido a una fuerza electromotriz inducida que empuja a los electrones en una dirección determinada. Si la bobina está conectada a un circuito, esto hará que fluya una corriente. Esta es la base del funcionamiento de un generador de corriente alterna, y la energía disponible en los enchufes de su hogar se produce de una manera muy similar.
Transformador
Los transformadores son una combinación de todos los puntos que hemos tratado hasta ahora en este artículo. Podemos crear dos circuitos separados y utilizar un transformador para inducir corriente de un circuito al otro.
Al generar una corriente alterna en un circuito cerrado y hacer pasar esta corriente a través de una bobina, que se encuentra muy cerca de otra bobina en un circuito cerrado separado, podemos crear un transformador e inducir una corriente del primer circuito (primario) al segundo circuito.
Los transformadores se pueden utilizar para aumentar o disminuir la tensión entre los circuitos primario y secundario simplemente cambiando el número de bobinas en cada lado.
Condensadores
Los condensadores obligan a las cargas positivas y negativas a separarse entre dos placas cuando se conectan a una fuente de alimentación. Esto provoca una acumulación de electrones almacenados dentro de un campo eléctrico. Cuando se corta o se interrumpe la fuente de alimentación, estas cargas se liberan, se unen y vuelven a fluir. Esto proporciona una fuente de energía durante un tiempo muy breve (segundos), ya que solo durará hasta que las cargas separadas se hayan reunido de nuevo. Es ligeramente similar a una batería, salvo que no puede mantener el suministro de energía durante tanto tiempo.
Los condensadores son muy comunes y se pueden encontrar en prácticamente todos los circuitos eléctricos.
Corriente alterna y corriente continua
Existen dos tipos de corriente en uso: la corriente alterna (CA) y la corriente continua (CC)
La corriente alterna significa simplemente que la corriente fluye hacia adelante y hacia atrás en un circuito, ya que los polos se invierten constantemente. Es un poco como la marea del mar, que entra y sale repetidamente. La corriente alterna es el tipo más común de energía eléctrica y es el tipo de corriente disponible en las tomas de corriente de su hogar.
La corriente continua significa simplemente que la corriente fluye directamente en una sola dirección. Es la que proporcionan las baterías, los paneles fotovoltaicos, etc. Se utiliza sobre todo en aparatos eléctricos portátiles.
Podemos convertir la corriente alterna (CA) en corriente continua (CC) y viceversa utilizando inversores; así es como la corriente alterna de los enchufes domésticos se puede utilizar para cargar nuestros teléfonos móviles, que funcionan con corriente continua.
Con esto concluye este artículo sobre los fundamentos del funcionamiento de la electricidad. A continuación encontrarás un tutorial en vídeo sobre el tema con más información y animaciones.
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