EF I: La constitución de la materia: Molécula, atómo, protón y electrón.
¿Cómo funciona una herramienta eléctrica? La piedra angular de un taladro percutor, una lijadora orbital o una sierra es su motor eléctrico. Si hablamos de una pistola de aire caliente, además del motor que hace girar el ventilador, en ella encontramos una resistencia eléctrica que calienta el aire.
En cualquier caso, toda máquina eléctrica requiere electricidad para funcionar. Pero ¿qué es la electricidad? ¿Qué tipo de fuerza invisible es esa que viaja por el cable? ¿Qué es un voltio y qué un amperio? ¿Por qué se puede invertir la posición de la clavija en un enchufe de pared, pero no se ha de invertir de posición una pila?
Electricidad fácil es un manual básico de electricidad para principiantes que no requiere de ningún conocimiento previo. El curso pretende dar respuesta a las preguntas anteriores y a otras muchas relacionadas con esta fuente de energía; aunque, como se verá más adelante, ¡la electricidad no es una verdadera fuente de energía!
¿Qué es la electricidad?
Una definición muy sencilla de electricidad es la que la identifica como la acción de los electrones. El movimiento de los electrones por el cable es lo que hace que el portabrocas de un taladro gire. Si estás leyendo esto en la pantalla del móvil o en un monitor, de nuevo, es el movimiento de electrones el que hace posible que este dispositivo funcione. ¿Y si, por el contrario, has impreso este manual? No importa, pues ¡la función de la impresora también depende de los electrones!
En nuestro día a día usamos la electricidad para todo. La electricidad, o más concretamente, la electrónica, hizo posible el desarrollo de la informática. La una y la otra están presentes en casi cualquier cosa que podamos imaginar: ascensores, teléfonos móviles, ordenadores, trenes, aviones, Internet, YouTube, herramientas eléctricas, máquinas de diagnóstico en hospitales, fábricas, iluminación, calefacción, telémetros, electrodomésticos... La vida moderna tal y como la conocemos no sería posible sin la electricidad.
El origen de la palabra electricidad
La palabra electricidad proviene del griego. Elektron es la palabra que usaban los griegos para referirse al ámbar. El ámbar es una resina vegetal fosilizada que se creó a partir de restos de coníferas. (La conífera es un tipo de árbol, dos ejemplos populares son el pino y el abeto).
Los griegos observaron que al frotar un trozo de ámbar con una tela, este atraía hacia sí fragmentos pequeños de hojas secas.
La explicación que actualmente se le da a este hecho tiene que ver, precisamente, con los electrones. Y, puesto que la electricidad es la acción y efecto de estos, el primer paso para conocer a fondo la electricidad es conocer el electrón.
¿Qué son los electrones?
Todo lo que podemos ver y tocar, es decir, la materia, está formado por moléculas. Una molécula es una combinación de dos o más átomos. Pero... ¿qué es un átomo?
Si la célula es la unidad básica de vida a partir de la cual están formados todos los seres vivos, el átomo es la unidad básica a partir de la cual está formado todo lo que vemos. Es más, incluso la célula está formada por átomos.
Las moléculas y los elementos
No todos los átomos son iguales. Hay diferentes tipos de átomos y cada uno tiene características concretas. Cuando uno o más átomos del mismo tipo se combinan entre sí, llamamos a la unión resultante elemento químico. El oxígeno, el hidrógeno, el hierro y el cobre son algunos ejemplos de elementos químicos.
En realidad, cada tipo de átomo es siempre de uno u otro elemento. Es decir, no existe un átomo genérico: existen átomos de oxígeno, átomos de hierro, etcétera. Cuando dos o más átomos de elementos diferentes se combinan entre sí, entonces hablamos de molécula.
Así, no existen átomos de agua, porque el agua se forma por dos elementos: hidrógeno y oxígeno. En concreto, por la unión de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Por eso decimos que el agua está formada por moléculas de H20.
Así pues, hay diferentes tipos de átomos que se combinan entre sí para formar todas las cosas que conocemos. Y así como los pequeños átomos se unen para formar objetos más grandes, también el propio átomo, a su vez, está formado por otros objetos más pequeños, por así decirlo. Hablamos de las partículas subatómicas, es decir, de partículas que son más pequeñas que el átomo.
Protones, neutrones y electrones
Todos los átomos, sin importar de qué tipo sean (elemento) están formados por protones, neutrones y electrones. ¡Ajá! Por fin aparece el dichoso electrón.
El que vemos en la imagen es un átomo de litio:
Al mirar con el microscópio un átomo, se comprueba que se parece a un sistema planetario. Así como la tierra da vueltas alrededor del sol, los electrones de un átomo dan vueltas alrededor de su núcleo.
Aunque en este breve manual de electricidad básica queda aún mucho por tratar, acabamos de identificar el electrón. Son estas partículas, los electrones, las que viajan por el cable para hacer funcionar el motor del taladro eléctrico o la pantalla del teléfono móvil. Pero ¿cómo se desprenden los electrones del átomo para llegar hasta el cable?
Cada una de las partes de un átomo tiene un tipo de carga eléctrica:
- Los protones tienen carga positiva
- Los neutrones no tienen carga, es decir, son neutros
- Los electrones tienen carga negativa
Lo anterior es algo que debemos aceptar para poder seguir avanzando en el estudio de la electricidad. Está basado en la teoría del electrón y no vamos a intentar entender qué significa la carga eléctrica ni por qué tienen dicha carga estas partículas.
Aceptemos, pues, que los electrones tienen carga negativa y los protones, carga positiva. Esto nos permitirá comprender más adelante cómo funciona una batería, una herramienta eléctrica o una simple bombilla. Además, recordemos, por ahora solo se pretende descubrir por qué se desprenden los electrones del átomo.
Sabemos que la fuerza de gravedad de la Tierra atrae los objetos hacia el núcleo. Pues bien, de igual manera los electrones son atraidos por el núcleo del átomo. Existe una fuerza de atracción entre el núcleo y los electrones que giran (orbitan) a su alrededor.
Por otro lado, todos los electrones no están a la misma distancia del núcleo. Neptuno está mucho más lejos del Sol que la Tierra. Con los electrones ocurre lo mismo. Y, precisamente, los electrones que están más lejos son los que se pueden desprender de la órbita. Por esta causa: la fuerza de atracción es más débil cuanto mayor es la distancia hasta el núcleo.
La carga del átomo
¿Qué ocurre cuando un electrón se desprende del átomo? Hemos dicho que el electrón tenía carga negativa y el protón, positiva. Lo que no hemos dicho es que, generalmente, el átomo está en equilibrio eléctrico. Es decir, tiene tantas cargas positivas (protones) como negativas (electrones).
Al perder un electrón, el átomo se queda con más protones que electrones. Se dice entonces que está cargado positivamente. Y lo llamamos ion positivo. Por el contrario, si un átomo recibe un nuevo electrón (algo que no siempre es posible), y el número de estos superara al de protones, dicho átomo tendrá carga negativa. Este es, por tanto, un ion negativo.
Resumen
Hemos visto que la materia está formada por moléculas. Las moléculas, por átomos. Los elementos son el nombre que reciben cada uno de los diferentes tipos de átomos. Además, hemos visto que los átomos, a su vez, están formados por protones, neutrones y electrones.
El núcleo de un átomo está formado por protones (carga positiva) y neutrones (carga neutra). Los electrones, que tienen carga negativa, orbitan alrededor del núcleo del átomo, de forma similar a como giran los planetas alrededor del sol. Los electrones son atraídos por el núcleo y los más alejados pueden desprenderse. Cuando eso ocurre, el átomo queda cargado positivamente (tiene más protones que electrones).
En el siguiente capítulo, veremos que el movimiento de los electrones que se han desprendido de la órbita se conoce como corriente eléctrica.
Apuntes adicionales
A lo largo de este manual, en la sección apuntes adicionales aparecerá información interesante relacionada con el asunto tratado, pero que no resulta esencial para el estudio de la electricidad.
Número atómico
Los diferentes átomos de cada elemento se diferencian entre sí por el número total de protones en su núcleo. Se conoce como número atómico al número de protones presentes en dicho átomo.
En el caso del litio (en la imagen mostrada más arriba), dicho átomo tiene tiene tres protones, por tanto, su número atómico es 3. El número atómico se representa por la letra Z. Así pues, el número atómico del litio se representa como Z=3.
Excelente artículo. Sobre todo para gente como yo que nos cuesta entender los átomos y la Física Cuántica. Muchas Gracias!!
Hola Francisco: muchas gracias a ti por comentar, me alegra que te haya sido útil el artículo. ¡Saludos!
La luz azul se esparce más que los otros colores que irradia la luz del sol.
No es posible ver un átomo en un microscopio