Electricidad y Estructura de la materia
Para entender la electricidad hay que empezar por lo más pequeño: el átomo. Toda la materia está formada por átomos, y dentro de ellos están las partículas con carga eléctrica que hacen posible la corriente. En este post te explico cómo está formada la materia, el modelo atómico de Bohr, qué son los electrones de valencia y los electrones libres, por qué unos materiales conducen y otros no, qué es un ion y qué es, finalmente, la electricidad.
La materia
La materia se divide en moléculas, que a su vez se dividen en átomos. Un átomo tiene dos partes:
- El núcleo, donde se encuentran:
- Los protones, con carga eléctrica positiva.
- Los neutrones, que, como su nombre indica, no tienen carga (son neutros).
- La periferia (o corteza), donde se encuentran los electrones, con carga eléctrica negativa.
Casi toda la masa del átomo está en el núcleo: un protón tiene unas 1836 veces la masa de un electrón. Sin embargo, son los electrones, ligeros y móviles, los protagonistas de la electricidad.
El átomo de Bohr
El físico danés Niels Bohr propuso en 1913 un modelo del átomo, conocido como modelo de Bohr, en el que los electrones giran alrededor del núcleo en órbitas o capas definidas, como pequeños planetas alrededor del Sol. Aunque la física moderna describe el átomo de forma más compleja, el modelo de Bohr sigue siendo muy útil para entender la electricidad.
En un átomo normal, el número de electrones es igual al número de protones, por lo que el átomo es eléctricamente neutro:
número de protones = número de electrones
Las capas de electrones
Los electrones se acomodan en capas con una capacidad máxima: 2 en la primera, 8 en la segunda, 18 en la tercera, y así sucesivamente. La última capa ocupada es la más importante para la electricidad.
Electrones de valencia y electrones libres
Algunos electrones están en las órbitas más alejadas del núcleo, donde la atracción es menor, por lo que podrían liberarse fácilmente. Son los electrones de valencia.
Ejemplo: el cobre. El átomo de cobre tiene 29 protones y 29 electrones. De esos 29 electrones, 28 se ubican en capas cercanas al núcleo (2 + 8 + 18) y 1 viaja en una órbita lejana. Ese electrón está tan débilmente unido que puede saltar de un átomo a otro: es un electrón libre. Por eso el cobre es tan buen conductor y se usa en casi todos los cables.
Conductores, aislantes y semiconductores
| Tipo | Electrones libres | Ejemplos | Uso |
|---|---|---|---|
| Conductores | Muchos | Oro, plata, cobre, aluminio | Cables, pistas, contactos |
| Aislantes | Muy pocos | Cerámica, vidrio, madera seca, papel, plástico | Recubrimiento de cables, soportes |
| Semiconductores | Intermedio (controlable) | Silicio, germanio | Diodos, transistores, chips |
La plata es el mejor conductor, pero el cobre se usa más por ser mucho más barato. El oro se usa en contactos porque no se oxida.
Iones
- Cuando a un átomo le falta uno o más electrones, se le llama ion positivo (catión).
- Cuando a un átomo le sobra uno o más electrones, se le llama ion negativo (anión).
Los iones son fundamentales en las pilas y baterías, donde las reacciones químicas mueven iones dentro del electrolito y electrones por el circuito externo.
¿Qué es la electricidad?
La electricidad es la acumulación o el movimiento de electrones que han sido sacados de sus órbitas. Estos electrones libres se mueven con facilidad por la materia conductora.
- Cuando los electrones se acumulan en un cuerpo, hablamos de electricidad estática.
- Cuando los electrones se mueven de forma ordenada por un conductor, hablamos de corriente eléctrica.
Un dato curioso: los electrones individuales avanzan por un cable muy lentamente (milímetros por segundo), pero el "empujón" eléctrico se propaga casi a la velocidad de la luz. Por eso la lámpara se enciende de inmediato al accionar el interruptor.
Sentido de la corriente
Los electrones van del polo negativo al positivo (sentido real). Por razones históricas, en los esquemas se usa el sentido convencional, del positivo al negativo. Ambos sirven para los cálculos, siempre que se use uno de forma consistente.
Del átomo al circuito
Cuando conectas una pila a una lámpara con dos cables de cobre, la pila crea una diferencia de potencial que empuja a los electrones libres del cobre: salen del polo negativo, atraviesan el filamento de la lámpara (donde chocan con los átomos y producen calor y luz) y regresan al polo positivo. Si el circuito se abre, el movimiento se detiene al instante. Todo lo que estudiarás después en electrónica parte de esta idea sencilla.
Errores comunes
- Pensar que en la corriente se mueven los protones: en los metales se mueven los electrones.
- Creer que el agua pura es buena conductora: lo que conduce son las sales disueltas en ella.
- Confundir neutrón (sin carga) con átomo neutro (cargas equilibradas).
Notas de seguridad
El cuerpo humano, por su contenido de agua y sales, conduce la electricidad. La tensión de la red (120 V en Colombia) puede hacer circular por el cuerpo corrientes peligrosas. Trabaja siempre sin tensión, con herramientas aisladas y nunca con las manos mojadas.
Preguntas frecuentes
¿Por qué el cobre conduce mejor que el hierro?
Porque su estructura deja electrones de valencia más libres para moverse.
¿Qué es exactamente la carga eléctrica?
Lo explico en carga eléctrica.
¿Cómo funcionan los semiconductores?
Mira qué es un semiconductor.
Conclusión
La materia está formada por átomos con protones, neutrones y electrones. Los electrones de valencia, débilmente unidos, pueden liberarse: si hay muchos, el material es conductor; si hay pocos, es aislante. La electricidad no es más que la acumulación o el movimiento de esos electrones libres.
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