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6 de agosto de 2013

Electricidad IV: Conductorres y Aislantes

Estás leyendo la cuarta parte del bloque introductorio [Electricidad I]. Por si no sabes de qué estoy hablando, se trata de una breve serie de artículos que intentan dar una introducción sin fórmulas y con los mínimos requisitos previos a los conceptos básicos de carga eléctrica, corriente, potencial eléctrico y cosas por el estilo. Posteriormente habrá otros bloques que irán “construyendo” conocimiento con estos cimientos. Al tener ya listos cuatro artículos, hemos preparado una página de descripción/índice del bloque para que sirva de referencia, a la que iremos sumando artículos según se publiquen: [Electricidad I]

Como he dicho antes en el bloque, una cosa es que no supongamos que tienes conocimientos previos de Física, pero otra distinta es que esto sea coser y cantar. Estos artículos son a veces largos, a veces densos –por mucho que intente que sean agradables de leer–, y requieren concentración y cuidado al razonar. Mi recomendación es que en una primera lectura te saltes los cuadros de colores diversos y luego, si comprendes la base del artículo, amplies una segunda lectura con los cuadros que te interesen o cuyos títulos te llamen la atención. Así que, si estás listo para seguir aprendiendo las bases de la electricidad (si te nos unes ahora, empieza por el principio), vamos con ello.


En el artículo anterior hablamos acerca del concepto de corriente eléctrica y su magnitud asociada, la intensidad de corriente. Lo hicimos entonces en abstracto, con cargas libres que se movían en el vacío, libres de cualquier injerencia por parte de cualquier otra cosa. Pero, en la realidad, las cosas no son tan simples: las cargas forman parte de átomos, y eso complica la situación. Hoy nos dedicaremos precisamente a ver cómo es la corriente eléctrica, no en abstracto, sino en el mundo real que nos rodea, destruyendo de paso alguna falsa idea que mucha gente tiene en la cabeza sobre la corriente en los cables.

Pero, antes de nada, la solución al Desafío 2 que planteamos hace un par de semanas, que nos será útil para utilizar algunos números en el artículo de hoy.

Solución al Desafío 2 – ¿A qué velocidad se mueven los electrones en un cable?
Para obtener una respuesta aproximada a la pregunta, haremos justamente lo que se indicaba en la pista final: calcular cuánto tiempo hará falta para que toda la carga contenida en ese cable salga de él. De ese modo tendremos la distancia que recorren los electrones que empiezan en un extremo del cable hasta salir por el otro (que es la longitud del cable) y el tiempo que tardan en hacerlo (el tiempo en salir de él), es decir, la velocidad media de esos electrones en el cable.
1. En primer lugar calculemos el volumen del cable: 10 mm2 de sección (es decir, 10-5 m2) y 1 m de longitud resultan en un volumen de 10-5 m3.
2. ¿Cuál es la masa de ese cable? Puesto que la densidad del cobre es 8940 kg/m3, nuestro cable tiene una masa de 0,0894 kg, pero como no nos importa redondear, porque esto es una estimación, digamos que es 0,09 kg.
3. ¿Cuántos electrones móviles hay allí? Dijimos que cada gramo de cobre contiene 9,5·1021 electrones móviles, con lo que nuestro cable (de 90 gramos) contiene unos 8,5·1023 electrones moviéndose por él: unos 136 000 culombios de electrones, ¡que se dice pronto!
4. La intensidad de corriente es 1 A, es decir, 1 culombio cada segundo. Esto significa que, para que los 136 000 culombios de electrones móviles del cable salgan de él, hacen falta 136 000 segundos (porque cada segundo atraviesa el extremo del cable 1 culombio).
5. La velocidad media de los electrones en el cable es entonces de 1 metro (la longitud del cable) cada 136 000 segundos… 7,4·10-6 m/s. Sí, lo lees bien. Pero analizaremos el resultado más en detalle al final del texto principal, porque es muy relevante para el artículo.

Aislantes

Como recordarás, en el artículo anterior describimos cómo conseguir mover cargas sin el menor problema utilizando la Ley de Coulomb: colocando cargas de uno u otro signo en determinados lugares, podríamos hacer que una carga libre empezase a moverse hacia donde nosotros queremos. Y así es realmente como conseguimos, en la realidad, producir corrientes eléctricas, pero con una complicación: en el mundo que nos rodea, las cargas no están libres, sino “atrapadas” en las distintas substancias. Y esto hace mucho más difícil, en algunos casos, hacer que se muevan. Me explico. Recordemos el dibujo de entonces:


Corriente eléctrica


Establecimos el concepto de corriente eléctrica en el caso más sencillo posible: un protón en el vacío, libre de cualquier influencia más que la de las otras dos cargas del dibujo –un protón y un electrón fijos–. Pero ¿dónde vas a encontrar esa situación en el mundo que te rodea, salvo que la prepares 
cuidadosamente en un laboratorio? Casi en ninguna parte. La Ley de Coulomb es la clave para mover cargas, pero también es la culpable de que sea difícil moverlas: al atraerse unas a otras, las cargas de distinto signo tienden a agruparse en átomos, como vimos en la primera entrada del bloque, debido a la propia Ley de Coulomb. Y, puesto que la atracción es tanto mayor cuanto más cerca están unas cargas de otras, afectar a las cargas de un átomo para que se muevan es difícil.


Imagina, por ejemplo, que tenemos un átomo de hidrógeno como el que describimos en el artículo de la carga eléctrica. Al constar de un protón y un electrón, nuestro átomo es neutro. Visto desde lejos, “negro” y, si lo hacemos de cerca, un núcleo de carga positiva rodeado de carga negativa:


Átomo de hidrógeno


Si hacemos lo mismo que hicimos en el ejemplo sencillo de arriba, poniendo un par de cargas a los lados para producir un movimiento de cargas…


Átomo de hidrógeno 2


Tenemos un problema. Si has comprendido la serie hasta el momento, deberías ser capaz de comprender por qué rápidamente. Sí, el electrón fijo de la derecha tiende a mover el protón del hidrógeno hacia la derecha (porque lo atrae) y el electrón del hidrógeno hacia la izquierda (porque lo repele), y el protón fijo de la izquierda hace lo propio: tiende a mover el protón del hidrógeno hacia la derecha y el electrón hacia la izquierda. Todo parece sumarse igual que antes, para que el protón del hidrógeno vaya hacia la derecha y el electrón hacia la izquierda, produciendo un movimiento de cargas — una corriente eléctrica…

¡Pero el protón y el electrón del hidrógeno también se atraen el uno al otro! En el ejemplo en el vacío, no había ninguna injerencia sobre la carga libre que estaba flotando ella sola… pero ahora sí la hay. Ese protón y ese electrón no sólo se atraen: como están mucho más cerca el uno del otro de lo que lo están las otras dos cargas “externas”, se atraen con muchísima más intensidad de lo que los repelen o atraen las otras dos cargas. Como consecuencia, no va a haber apenas movimiento de carga. Lo más que va a suceder es que se produzca un ligerísimo desplazamiento, y que se acabe con algo parecido a lo que sucedió con nuestros experimentos con peines de plástico:


Hidrógeno polarizado


Es decir, que las cargas del átomo se desdoblen muy ligeramente, pero no que se separen. Haría falta una cantidad de carga gigantesca fuera del átomo de hidrógeno para que las fuerzas de Coulomb correspondientes fueran más intensas que las que existen entre el protón y el electrón dentro del átomo. Como consecuencia, aunque todo lo que explicamos en la entrada anterior es cierto, conseguir que las cargas se muevan en ese átomo de hidrógeno es dificilísimo.

Lo mismo sucede con cualquier otro átomo suelto, claro. Sin embargo, cuando los átomos se unen unos a otros, pueden suceder cosas algo más complejas que hagan más fácil que las cargas puedan moverse. Todo depende básicamente de cómo se unen esos átomos, y las razones últimas del comportamiento de las cargas en las sustancias se escapan con mucho del alcance de este bloque. Dependiendo de qué átomos forman una sustancia y cómo son las fuerzas de atracción entre ellos, y entre los núcleos y los electrones que los rodean, existen una miríada de comportamientos eléctricos diferentes, pero centrémonos en dos extremos.

Muchas sustancias, como todos los gases de la atmósfera, el agua, el vidrio, el papel, la madera, etc., se comportan casi igual que el átomo de hidrógeno que hemos utilizado antes como ejemplo. Las fuerzas que mantienen unos átomos unidos a otros son mucho menos intensas que las de atracción entre electrones y núcleos, con lo que es complicadísimo hacer que las cargas se muevan. Son los materiales comúnmente llamados aislantes, aunque la palabra es, como tantas otras cosas, relativa: hay distintos grados, y una sustancia puede ser más aislante que otra y menos que una tercera. De hecho, más adelante veremos cómo medir este carácter cuantitativamente, pero por ahora lo que nos interesa es el concepto.

Plasma y corriente eléctrica
Si conseguimos romper los átomos del hidrógeno del ejemplo de arriba, de modo que los protones y electrones estén sueltos, no habría problema alguno para que condujese la corriente eléctrica. Lo que tendríamos entonces, claro, ya no sería hidrógeno propiamente dicho, sino núcleos y electrones sueltos, es decir, un plasma. Los plasmas sí conducen muy bien la corriente, puesto que las cargas ya no están atrapadas unas en el férreo puño de las otras.
Para conseguir eso, claro está, hace falta mucha energía. Una manera de conseguirlo es calentar el hidrógeno tantísimo que la energía cinética de los electrones y los núcleos sea tan grande que se separen espontáneamente por sus violentas vibraciones, como sucede en las estrellas. Otra manera sería utilizar, no un par de cargas como en el ejemplo de ahí arriba, sino una cantidad tan gigantesca de carga externa que superase las propias atracciones internas y el átomo se desgajase en su núcleo positivo por un lado y su electrón por el otro. Esto es lo que sucede, por ejemplo, en la descarga de un rayo.

Lea el artículo completo en:

El Tamiz

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