Electricidad y Magnetismo

Introducción a la Electricidad

Los primeros descubrimientos en los que se hace referencia a los fenómenos eléctricos fueron realizados por los griegos en la antigüedad. Estos descubrieron que al frotar una barra de ámbar con un trozo de piel de animal, la barra atraía objetos muy livianos como plumas, cabellos, etc.

Las Cargas Eléctricas

La materia está formada por átomos, que están constituidos por un núcleo y, a su alrededor, en distintos niveles de energía, se encuentran los electrones.

El núcleo está formado por dos tipos de partículas: los protones, dotados de carga eléctrica positiva, y los neutrones, sin carga eléctrica aunque con una masa semejante a la del protón. Los electrones son partículas mucho más livianas que los protones y tienen carga eléctrica negativa.

El Campo Eléctrico

El campo eléctrico es el espacio alrededor de una carga eléctrica, donde se manifiestan las fuerzas de atracción o repulsión sobre otras cargas eléctricas situadas en ese espacio.

Iones: Átomos que Ganan o Pierden Electrones

Los átomos pueden perder o ganar electrones.

Cuando un átomo tiene el mismo número de protones que de electrones, el átomo está eléctricamente neutro. Sin embargo, hay situaciones donde los átomos pueden ganar o ceder electrones, formando partículas con carga eléctrica, llamadas iones.

Cuando un átomo pierde uno o más electrones, queda cargado positivamente y recibe el nombre de catión. Al contrario, cuando un átomo gana uno o varios electrones, queda cargado negativamente y recibe el nombre de anión.

Electrización

No solo el ámbar se electriza por frotamiento, sino que otras sustancias lo hacen también. Por lo tanto, para que ocurra este fenómeno, los cuerpos deben estar cargados y esto se fundamenta en la estructura que presenta la materia que conforma el cuerpo. La esencia de la electricidad es la carga eléctrica. Esta causalidad existe en dos clases distintas, que se denominan carga positiva y negativa. Existe una fuerza por la que las cargas se atraen y es la fuerza eléctrica. Las cargas eléctricas de la misma clase o signo se repelen mutuamente y las de signo distinto se atraen.

La carga eléctrica de un cuerpo es la suma de las cargas de cada uno de sus constituyentes mínimos: moléculas, átomos y partículas elementales. Por ello, la carga está cuantizada. Además, las cargas se pueden mover o intercambiar, pero sin que se produzcan cambios en su cantidad total. La electrización de un cuerpo se consigue extrayendo del mismo las cargas de un signo y dejando en él las del signo contrario. En este caso, el cuerpo adquiere una carga eléctrica neta no nula.

Los cuerpos, entonces, están formados por átomos que poseen cargas, y se define que está cargado cuando la carga que posee no está equilibrada. Un objeto que tiene el mismo número de protones que de electrones no está cargado, y si el número de electrones difiere del de protones, el objeto está cargado.

Según el tipo de átomos que forme la materia, los electrones pueden estar más o menos atraídos al núcleo; esto quiere decir que cuando la fuerza eléctrica sea menor, más fácilmente pueden ser movilizados los electrones de un átomo a otro. Cuando se frota una varilla de vidrio con un trozo de seda, se observa que la varilla transfiere electrones a la seda. Por lo tanto, resulta que la seda tiene un excedente de electrones y la varilla, deficiencia de electrones, por lo que se produce un desequilibrio de cargas en cada material.

Se ha demostrado que las fuerzas eléctricas entre las cargas tienen el mismo módulo, dirección y sentido opuesto; en las de igual signo se repelen y en las de signos opuestos se atraen.

Aislantes y Conductores

Los cuerpos están formados por materia. Cuando en su estructura atómica los electrones están menos atraídos por el núcleo, adquieren cierta libertad de movimiento y se los denomina electrones libres. En consecuencia, en materiales que poseen electrones libres, la carga eléctrica es transportada por medio de ellos y a estos materiales se los llama conductores eléctricos (ej.: agua, metales, etc.).

La tierra es un enorme conductor en el cual las cargas eléctricas se distribuyen en forma uniforme. Por eso, cuando un cuerpo cargado se conecta a tierra, las cargas se reparten en la gran masa sin modificar su estado neutro y el cuerpo queda descargado.

Cuando los electrones están firmemente unidos al núcleo, no poseen electrones libres o el número es relativamente muy pequeño; por lo tanto, no se producirá un desplazamiento de las cargas a través de ellos, los que se denominan aislantes o dieléctricos.

Dentro de los aisladores aparecen los semiconductores, que son sustancias no metálicas que conducen de forma imperfecta la corriente eléctrica y cuya conductividad aumenta rápidamente al incrementarse la temperatura por el agregado de pequeñas sustancias llamadas impurezas.

Introducción al Magnetismo

Imanes

La magnetita es un óxido de hierro que en la actualidad se lo llama piedra imán.

Un imán es un material que tiene la capacidad de producir un campo magnético en su exterior, el que es capaz de atraer al hierro, níquel y cobalto, y los compuestos de estos elementos.

Los imanes se clasifican en naturales y artificiales. Los naturales son la magnetita; los artificiales se pueden producir al frotar una barra de acero con el mismo sentido de una piedra de imán; otra forma es con una barra de acero en el interior de una bobina en la cual circula corriente eléctrica.

Los imanes artificiales se pueden clasificar en permanentes o temporales, dependiendo de que se retengan o no las propiedades magnéticas una vez desaparecida la fuerza magnética.

Polos de un Imán

Cuando se acerca un imán a limaduras de hierro, estas se adhieren a los extremos de dicho imán; esto demuestra que la fuerza magnética se manifiesta principalmente en los polos.

Campo Magnético

Las fuerzas magnéticas, como las gravitatorias y eléctricas, se manifiestan a cierta distancia; los cuerpos se atraen o repelen sin necesidad de tocarlos. Así como en el espacio que rodea a un cuerpo eléctrico cargado existe un campo eléctrico, los imanes crean a su alrededor un campo magnético, en el cual actúan las fuerzas magnéticas.

Naturaleza del Magnetismo

El magnetismo de las sustancias se debe a los movimientos de los electrones dentro de los átomos. Por ser una carga en movimiento, crea un campo magnético, comportándose como un pequeño imán. Ellos se mueven con movimiento de traslación alrededor del núcleo y, simultáneamente, sobre su propio eje rotacional; este movimiento se lo llama spin del electrón, que se realiza en una dirección pero con dos sentidos posibles, ya que pueden girar en sentido de las agujas del reloj o contrario. Estos dos sentidos contrarios se originan con dos imanes de signos opuestos (norte y sur), por lo que dos electrones de spin contrario se atraen formando un par eléctrico.

Sustancias Magnéticas y No Magnéticas

Las sustancias que son fuertemente atraídas por los imanes, como el hierro o el acero, tienen propiedades ferromagnéticas y se llaman sustancias magnéticas. En estas sustancias existen spin desapareados.

Las sustancias que no manifiestan propiedades ferromagnéticas se las denomina sustancias no magnéticas.

• Las sustancias no magnéticas como el oro son diamagnéticas porque son ligeramente rechazadas cuando se las somete a la acción de un imán potente. En estas existe spin contrario que anula los efectos magnéticos.
• El aluminio y la madera son paramagnéticas porque son ligeramente atraídas por imanes fuertes.

La Brújula

La brújula es una aguja imantada que puede girar libremente apoyada en su centro de gravedad, sobre un eje vertical. Estos elementos están en una caja en cuyo fondo se señalan los puntos cardinales y las direcciones intermedias. Los extremos de la aguja indican el norte y sur geográfico. Se utiliza mucho en la navegación porque permite orientarse en la dirección correcta.