Notacion de Cantidades Electricas
El
voltaje y la corriente son los conceptos fundamentales de la
electricidad. En este artículo, vamos a crear nuestros primeros modelos
mentales para estas cantidades eléctricas fundamentales. También vamos a
hablar de la potencia, que es lo que ocurre cuando el voltaje y la
corriente actúan juntos.
La carga
El
concepto de electricidad surge de algo que observamos en la naturaleza:
una fuerza entre objetos que, como la gravedad, actúa a la distancia.
Al origen de esta fuerza le hemos llamado carga. Un
hecho sobresaliente de la fuerza eléctrica es que es grande, mucho más
grande que la fuerza de gravedad. Sin embargo, a diferencia de esta, hay
dos tipos de cargas eléctricas. Cargas de tipos opuestos, se atraen, y
cargas de tipos iguales, se repelen. La gravedad solo tiene un tipo:
siempre atrae, nunca repele.
Conductores y aislantes
Los conductores
están formados por átomos cuyos electrones exteriores, o de valencia,
están débilmente ligados a sus núcleos. Un ejemplo es el átomo de cobre,
cuya estructura idealizada representamos en la imagen. Los átomos
metálicos felizmente comparten electrones exteriores cuando un montón de
ellos están juntos. Como consecuencia, generan un "enjambre" de
electrones que no están asociados a algún núcleo particular, y una
fuerza eléctrica pequeña puede hacer que el enjambre electrónico se
mueva. El cobre, el oro, la plata y el aluminio son buenos conductores,
así como el agua salada.
También
existen malos conductores. El tungsteno —un metal que se utiliza para
hacer filamentos de focos— y el carbono —en forma de diamante— son
relativamente malos conductores, pues sus electrones son menos propensos
a moverse.
Los aislantes
son materiales cuyos electrones exteriores están fuertemente ligados a
sus núcleos. Las fuerzas eléctricas moderadas no son capaces de
arrancarlos de sus átomos. Cuando se les aplica una fuerza eléctrica a
estos materiales, las nubes electrónicas de sus átomos se deforman, pero
los electrones exteriores no son liberados. El vidrio, el plástico, la
piedra y el aire son aislantes. Sin embargo, aun para estos materiales,
si la fuerza eléctrica es lo suficientemente grande, es capaz de
arrancar sus electrones exteriores —esta fuerza es conocida como "fuerza
de ruptura"—. Es lo que pasa con las moléculas de aire cuando observas
una chispa.
Los materiales semiconductores
están entre los aislantes y los conductores. Usualmente actúan como
aislantes, pero bajo ciertas circunstancias podemos hacer que se
comporten como conductores. El semiconductor más conocido es el silicio
(cuyo número atómico es 14).
Nuestra capacidad de controlar precisamente las propiedades conductoras
y aislantes del silicio nos ha permitido crear maravillas modernas como
las computadoras y los teléfonos celulares. Los detalles a nivel
atómico de cómo funcionan los aparatos con semiconductores están
gobernados por la física cuántica.
Corriente
La corriente es el flujo de carga.
La carga fluye en una corriente.
Describimos
la corriente como el número de cargas por unidad de tiempo que pasan a
través de una frontera. Visualízate colocando una frontera transversal
en un cable, posicionándote cerca de esta y contando el número de cargas
que la atraviesan. Reporta cuánta carga pasó a través de la frontera en
un segundo, asignándole el signo positivo a la corriente que se mueve en la dirección en la que lo haría una carga positiva.
Voltaje
Para dar nuestro primer paso hacia el concepto de voltaje, echemos un vistazo a una analogía:
El voltaje se parece a la gravedad
Para una masa m, un cambio en la altura h corresponde a un cambio en la energía potencial, delta, U, equals, m, g, delta, h.
Para una partícula cargada q, un voltaje V corresponde a un cambio en la energía potencial, delta, U, equals, q, V.
El voltaje en un circuito eléctrico es análogo al producto de g, dot, delta, h, donde g es la aceleración debida a la gravedad y delta, h es el cambio en la altura.
Una bola en la cima de una colina rueda hacia abajo. Cuando está a medio camino, ha cedido la mitad de su energía potencial.
Un
electrón en la cima de una "colina de voltaje" viaja "hacia abajo" a
través de cables y elementos de un circuito. Al hacer trabajo en su
trayecto, cede energía potencial. Cuando el electrón está a la mitad de
la colina, ha cedido, o "soltado", la mitad de su energía.
Tanto para la bola como para el electrón, el viaje colina abajo ocurre
espontáneamente. La bola y el electrón se mueven por sí mismos hacia
estados de menor energía. Pueden haber cosas en el camino de la bola que
la hagan rebotar, como árboles y osos. En el caso de los electrones,
podemos guiarlos por medio de cables y hacerlos fluir por componentes
electrónicos —diseño de circuitos— y hacer cosas interesantes en el
camino.
Podemos expresar matemáticamente el voltaje entre dos puntos como el cambio en energía que experimenta una carga:
Esta es una descripción intuitiva del voltaje en pocas palabras.
Potencia
La potencia está definida como la tasa a la que la energía (U) se transforma o se transfiere en el tiempo. Medimos la potencia en unidades de joules/segundo, también conocidas como watts.
(1, space, w, a, t, t, equals, 1, space, j, o, u, l, e, slash, s, e, g, u, n, d, o)
Un
circuito eléctrico es capaz de transferir potencia.
La corriente es la razón de flujo de carga, y el voltaje mide la
energía por unidad de carga que se transfiere. Podemos insertar estas
definiciones en la ecuación para la potencia:
La potencia eléctrica es el producto del voltaje por la corriente, y se mide en watts.
Comentarios
Publicar un comentario