Conceptos Fundamentales de la Materia y la Electricidad
Estados de la Materia
La materia se presenta comúnmente en tres estados principales:
Fase Sólida
Es el estado en el cual las moléculas están extremadamente cerca unas de otras, lo que resulta en una fuerza de atracción intermolecular enorme. Esto explica por qué los sólidos poseen una forma definida y un volumen constante. Ejemplos: hierro, cobre, cobalto, aluminio, oro.
Fase Líquida
Es una fase intermedia entre la sólida y la gaseosa. En ella, las moléculas están más alejadas que en los sólidos y más cerca que en los gases, y la fuerza de atracción es intermedia. Los líquidos no tienen forma propia, sino que adoptan la forma del recipiente que los contiene, manteniendo un volumen constante. Ejemplos: mercurio, agua, gasolina.
Fase Gaseosa
En este caso, las moléculas están extremadamente lejos unas de otras, por lo que la fuerza de atracción entre ellas es insignificante. Esto permite que los gases ocupen todo el volumen disponible del recipiente que los contiene, sin forma ni volumen definidos. Ejemplos: aire, gas natural.
Ley de Gravitación Universal
La Ley de Gravitación Universal describe la fuerza de atracción entre dos cuerpos con masa. La fórmula es:
F = G * (m₁ * m₂ / d²)
Donde:
Fes la fuerza gravitacional.Ges la constante de gravitación universal (aproximadamente 6.674 × 10⁻¹¹ N·m²/kg²).m₁ym₂son las masas de los dos cuerpos.des la distancia entre los centros de masa de los cuerpos.
Ejemplo: Una sustancia tiene masas de 15 kg y 30 kg, y están a una distancia de 40 m.
F = (6.674 × 10⁻¹¹ N·m²/kg²) * (15 kg * 30 kg / (40 m)²)
F = 1.8870 × 10⁻¹¹ N
Composición de la Materia
Todas las sustancias que existen en la naturaleza se presentan fundamentalmente de dos formas: como elemento o como compuesto.
Elementos y Compuestos
Un elemento es la forma más sencilla en que una sustancia puede presentarse y corresponde a cada una de las entidades listadas en la tabla periódica. Actualmente, existen 118 elementos conocidos, de los cuales aproximadamente 100 son naturales.
Un compuesto es la unión química de dos o más elementos en proporciones fijas para formar una sustancia con propiedades completamente diferentes a las de sus elementos constituyentes.
Moléculas y Átomos
Una molécula es la parte más pequeña de un compuesto que conserva las propiedades químicas de dicho compuesto.
Un átomo es la parte más pequeña de un elemento que conserva sus propiedades químicas.
El átomo se compone de un núcleo central y órbitas (o niveles de energía) alrededor de él. En el núcleo se encuentran las partículas subatómicas llamadas neutrones y protones, mientras que en las órbitas se encuentran los electrones.
Partículas Subatómicas
Protones
Son partículas con carga eléctrica positiva y una masa considerable, lo que les confiere gran estabilidad dentro del núcleo. Los protones son responsables de la identidad del elemento (su número atómico).
Electrones
Son partículas extremadamente ligeras, con una masa aproximadamente 1840 veces menor que la de un protón. Poseen carga eléctrica negativa y, bajo ciertas condiciones, pueden ser desalojados de sus órbitas, participando activamente en la generación de corriente eléctrica.
Neutrones
Son partículas sin carga eléctrica (neutras). Su principal función es contribuir a la masa del átomo y estabilizar el núcleo, evitando la repulsión entre los protones.
Número Atómico y Neutralidad Atómica
La diferencia fundamental entre un átomo de un elemento y otro radica en la cantidad de protones que contiene en su núcleo. Esta cantidad se denomina número atómico (Z), y es el criterio principal para la organización de los elementos en la tabla periódica.
Normalmente, los átomos son eléctricamente neutros, lo que significa que la cantidad de electrones (cargas negativas) es igual a la cantidad de protones (cargas positivas), resultando en una carga neta de cero.
Carga Eléctrica y Ley de Coulomb
Definición y Unidades de Carga
La carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia que se manifiesta mediante fuerzas de atracción o repulsión entre partículas. Se asocia con el exceso o defecto de electrones (carga negativa) o protones (carga positiva) en un cuerpo.
La carga eléctrica se mide en Coulombs (C).
- -1 Coulomb (C) = 6.25 × 10¹⁸ electrones
- +1 Coulomb (C) = 6.25 × 10¹⁸ protones
Ley de las Cargas Eléctricas
Cargas con el mismo signo se repelen, mientras que cargas con signos opuestos se atraen.
Distribución Electrónica en Órbitas
Los electrones se distribuyen en las órbitas (o niveles de energía) siguiendo reglas específicas:
- La capacidad máxima de electrones por órbita se calcula con la fórmula 2n², donde ‘n’ es el número de la órbita (n=1, 2, 3…). (Nota: En los elementos conocidos, no se observan más de 7 órbitas ocupadas).
- La órbita más externa de un átomo se denomina órbita de valencia y, para la mayoría de los elementos estables, no puede contener más de 8 electrones (regla del octeto).
Ejemplos de configuración electrónica:
- Elemento 18 (Argón): (2)(8)(8)
- Elemento 29 (Cobre): (2)(8)(18)(1)
Conductores, Aislantes y Semiconductores
Los conductores son materiales que permiten el flujo fácil de la corriente eléctrica y el calor. Generalmente, poseen menos de 3 electrones de valencia.
Los mejores conductores: plata, oro, cobre, aluminio.
Los aislantes son materiales que ofrecen una alta resistencia al flujo de la corriente eléctrica y el calor. Suelen tener más de 4 electrones de valencia.
Ejemplos: madera, goma, plástico.
Los semiconductores son materiales con una conductividad eléctrica intermedia entre los conductores y los aislantes. Típicamente, poseen exactamente 4 electrones de valencia.
Iones
Cuando un átomo no tiene 8 electrones de valencia (o 2 para el primer nivel), tiende a ganar o perder electrones para alcanzar una configuración más estable. A la entidad resultante se le denomina ion.
Si un átomo cede electrones de valencia, se convierte en un ion positivo (catión). Si gana electrones de valencia, se convierte en un ion negativo (anión).
Ley de Coulomb
La Ley de Coulomb establece que la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas puntuales es directamente proporcional al producto de sus magnitudes e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Su fórmula es:
F = k * (|q₁ * q₂| / r²)
Donde:
Fes la fuerza electrostática.kes la constante de Coulomb (aproximadamente 9 × 10⁹ N·m²/C²).q₁yq₂son las magnitudes de las cargas eléctricas.res la distancia entre las cargas.
De acuerdo con la Ley de Coulomb, a medida que la distancia entre un electrón y el núcleo (protones) aumenta, la fuerza de atracción electrostática disminuye. Por esta razón, los electrones de valencia son más fáciles de desalojar si se les aplica una fuerza externa.
Principios de Circuitos Eléctricos
Voltaje (Diferencia de Potencial)
El Voltaje (V) o Diferencia de Potencial es la energía por unidad de carga necesaria para mover una carga eléctrica entre dos puntos en un campo eléctrico. Es la «fuerza» que impulsa a los electrones a moverse en una dirección determinada, generando una corriente eléctrica.
Circuito Eléctrico
Un circuito eléctrico es un camino cerrado a través del cual puede fluir la corriente eléctrica. Generalmente, consta de una fuente de voltaje, una o varias cargas eléctricas, un interruptor y conductores que interconectan los componentes.
Una carga eléctrica (en un circuito) se refiere a cualquier dispositivo o componente que consume energía eléctrica y la convierte en otra forma de energía (luz, calor, movimiento, etc.).
Para que circule corriente eléctrica en un circuito, se requieren dos condiciones fundamentales:
- Que haya una fuente de voltaje.
- Que el circuito esté cerrado.
Corriente Eléctrica
La Corriente Eléctrica (I) es el flujo ordenado de cargas eléctricas (generalmente electrones) a través de un conductor. Se define como la cantidad de carga que pasa por un punto dado en un determinado intervalo de tiempo.
I = dq/dt = (Coulomb/segundo) = Amperio (A)
Un Amperio (A) es la unidad de medida de la corriente eléctrica. Un amperio se define como el flujo de un Coulomb de carga por segundo (1 A = 1 C/s).
La corriente es el flujo de electrones.
La corriente eléctrica se mide con un amperímetro, el cual debe conectarse en serie con el componente o la rama del circuito donde se desea medir la corriente.
Tipos de Corriente Eléctrica
La corriente eléctrica puede ser de dos tipos principales:
Corriente Directa (CD) o Corriente Continua (CC)
Es aquella en la cual el flujo de cargas eléctricas mantiene una dirección y magnitud constantes a lo largo del tiempo.
Corriente Alterna (CA)
Es aquella cuya magnitud y dirección varían cíclicamente con el tiempo. Típicamente, la corriente parte de cero, aumenta hasta un valor máximo, disminuye a cero, invierte su sentido, alcanza un valor máximo en la dirección opuesta y regresa a cero, completando un ciclo.
Conceptos de Onda: Frecuencia, Longitud de Onda y Periodo
La Frecuencia (f) es el número de ciclos completos que una onda (de corriente, voltaje, etc.) realiza en un segundo. Se mide en Hertz (Hz).
La Longitud de Onda (λ) es la distancia espacial entre dos puntos consecutivos de una onda que están en la misma fase (por ejemplo, dos crestas o dos valles). Se mide en metros (m) o submúltiplos como el nanómetro (nm) o el angstrom (Å).
El Periodo (T) es el tiempo que tarda una onda en completar un ciclo. Es el inverso de la frecuencia: T = 1/f. Se mide en segundos (s).
Resistencia Eléctrica
La Resistencia (R) es la oposición que un material o componente ofrece al flujo de la corriente eléctrica. Se mide en Ohmios (Ω).
La resistencia de un conductor depende de su longitud (L), su área de sección transversal (A) y la resistividad (ρ) del material. Es directamente proporcional a la longitud e inversamente proporcional al área.
R = ρ * (L/A)
La Resistividad (ρ) es una propiedad intrínseca de cada material que indica su capacidad para oponerse al flujo de la corriente. Se mide en Ohm-metro (Ω·m). Este valor es diferente para cada elemento.
Ley de Ohm
La Ley de Ohm establece que la corriente eléctrica (I) que fluye a través de un conductor entre dos puntos es directamente proporcional al voltaje (V) o diferencia de potencial entre esos dos puntos e inversamente proporcional a la resistencia (R) del conductor. Sus formulaciones son:
I = V/RV = I * RR = V/I
Potencia Eléctrica
La Potencia (P) es la tasa a la cual se realiza trabajo o se transfiere energía. Se define como el trabajo realizado por unidad de tiempo.
P = dW/dt = (Julios/segundo) = Vatios (W)
En circuitos eléctricos, la potencia también se puede calcular como el producto del voltaje por la corriente:
P = V * I (en Vatios)
Tipos de Circuitos Eléctricos
Circuito en Serie
Un circuito en serie es aquel en el que los componentes están conectados uno tras otro, formando un único camino para la corriente. Cumple con las siguientes características:
- La corriente total (I_t) es la misma en todos los componentes del circuito:
I_t = I₁ = I₂ = I₃ = ... = I_n. - El voltaje total (V_t) de la fuente es igual a la suma de las caídas de voltaje en cada componente:
V_t = V₁ + V₂ + V₃ + ... + V_n. - La resistencia equivalente (R_eq) del circuito es la suma aritmética de las resistencias individuales:
R_eq = R₁ + R₂ + R₃ + ... + R_n. - Si un componente se abre o falla, el circuito completo se interrumpe y todos los demás componentes dejan de funcionar.
Circuito en Paralelo
Un circuito en paralelo es aquel en el que los componentes están conectados a los mismos dos puntos, proporcionando múltiples caminos para el flujo de corriente. Cumple con las siguientes características:
- La corriente total (I_t) que sale de la fuente se divide entre los ramales, siendo la suma de las corrientes en cada ramal:
I_t = I₁ + I₂ + I₃ + ... + I_n. - El voltaje (V) es el mismo en todos los componentes conectados en paralelo:
V = V₁ = V₂ = V₃ = ... = V_n. - La resistencia equivalente (R_eq) del circuito se calcula como el inverso de la suma de los inversos de las resistencias individuales. El valor resultante siempre será menor que la resistencia más pequeña del circuito:
1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃ + ... + 1/R_n. - Si un componente se abre o falla, los demás componentes en los otros ramales continúan funcionando.
Circuito Serie-Paralelo (Mixto)
Un circuito serie-paralelo (mixto) es un circuito que combina componentes conectados tanto en serie como en paralelo. Para su análisis, se aplican las reglas correspondientes a cada tipo de conexión en las secciones pertinentes.
Recomendaciones para el análisis de circuitos mixtos:
- Identificar y trazar todas las corrientes que fluyen a través del circuito. Las secciones por donde fluye la corriente total están en serie; las que dividen la corriente están en paralelo.
- Para determinar los parámetros (voltaje, corriente, resistencia) de cada componente, se debe priorizar el análisis de las secciones donde fluye la corriente total.
- Para reducir todas las resistencias a una resistencia equivalente total, se recomienda comenzar simplificando las combinaciones más internas (generalmente las paralelas) y avanzar hacia la fuente.