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La naturaleza de los fenómenos eléctricos: ¿cuáles son las propiedades eléctricas y magnéticas de la materia?

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La comprensión de la electricidad se puede obtener de varias maneras diferentes. Una forma es estudiar la aparición de carga eléctrica en la materia.

La carga eléctrica es una propiedad primaria de la materia porque la fuente de carga eléctrica está en los protones y electrones de todos los átomos. No existe una teoría aceptada que explique por qué se «cuantifica» la carga, es decir, por qué la cantidad más pequeña de carga es la de un electrón o un protón, y por qué la cantidad de esta carga es la que es. Sin embargo, una vez que se acepta la existencia de carga eléctrica en la naturaleza, la teoría eléctrica puede proporcionar una descripción de todos los fenómenos eléctricos conocidos.

Una segunda forma de entender la electricidad es estudiar electrostática y electrodinámica. El primero se ocupa de las fuerzas eléctricas entre cargas en reposo y el segundo de las fuerzas eléctricas y magnéticas entre cargas en movimiento.

Una tercera forma de entender la electricidades estudiar el comportamiento eléctrico de la materia a granel en sus diversas formas. Tal estudio consideraría la conducción de carga (corrientes) en sólidos, líquidos y gases. En los sólidos, las partículas cargadas en movimiento suelen ser electrones. En gases y líquidos, el flujo de corriente resulta del movimiento de iones individuales bajo la influencia de un campo aplicado externamente. También se considerarían las propiedades eléctricas y de otro tipo de los metales, aislantes y semiconductores. La comprensión de los fenómenos eléctricos y magnéticos en estos materiales a granel depende no solo del estudio de las propiedades de los materiales a granel, sino también de la comprensión de los átomos individuales. Por lo tanto, la teoría atómica y los campos de la física gaseosa, del estado líquido y del estado sólido están estrechamente relacionados con la teoría eléctrica para describir los efectos eléctricos en la materia.

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Propiedades eléctricas de la materia.

Los materiales a granel, así como los átomos y las moléculas, están formados por cargas positivas y negativas. Estas cargas aparecen en cantidades iguales y, por lo tanto, la materia normalmente es eléctricamente neutra, es decir, no tiene un exceso de carga positiva o negativa. Sin embargo, existen numerosos mecanismos por los cuales la materia puede adquirir un exceso de carga positiva o negativa. El caso más simple y familiar es la ionización de átomos o moléculas. Este proceso es posible porque solo se requiere poca energía para quitar o agregar un electrón a la molécula, formando un ion positivo o negativo. De manera similar, los electrones se pueden agregar o quitar fácilmente de la materia a granel para darle una carga neta.

Rieles.

Cada átomo de un metal cede uno o más electrones, formando así un grupo de electrones libres que se mueven al azar dentro del metal. Cuando están bajo la influencia de una fuerza aplicada externamente, un campo eléctrico, estos electrones se desplazan de manera ordenada de un extremo del metal al otro, y el metal ofrece poca resistencia al flujo de carga. Por lo tanto, los cables de metal son un componente clave de un circuito eléctrico a través del cual fluye la corriente.

Semiconductores.

Los semiconductores también permiten que fluya la corriente, y los dispositivos semiconductores, como los diodos, tienen propiedades que permiten que las corrientes fluyan en una dirección más fácilmente que en la dirección opuesta. Esta y otras propiedades de los semiconductores dan lugar a una gran cantidad de aplicaciones en electrónica.

Aisladores.

Un aislante, o material dieléctrico, prácticamente no tiene electrones que se muevan libremente. En un material dieléctrico, un campo eléctrico externo no puede hacer que las cargas se desplacen a través del material como en los metales, pero puede haber un pequeño desplazamiento de los electrones en una dirección con respecto a los núcleos positivos de las moléculas. Este desplazamiento relativo, que se denomina polarización del material, es importante en muchos fenómenos eléctricos.

Propiedades magnéticas de la materia.

Las propiedades magnéticas de la materia, que surgen de las propiedades de los átomos individuales de un material magnético, producen efectos importantes cuando el material se coloca en un campo magnético externo. El ejemplo más notable es la magnetización del hierro o de algún otro material ferromagnético, que por lo tanto se pone en un estado que exhibe grandes efectos magnéticos independientemente de las condiciones externas. El descubrimiento muy temprano de los efectos magnéticos fue el resultado de la aparición de materiales magnetizados en la naturaleza.

Separación de carga.

Para producir campos eléctricos o corrientes eléctricas , primero es necesario redistribuir el estado natural de carga en la materia para colocar un exceso de carga positiva en un lugar y un exceso de carga negativa en otro lugar. Para hacer esto, se deben separar las cargas positivas y negativas. Dado que las cargas diferentes se atraen entre sí, su separación requiere que se realice un trabajo externo contra estas fuerzas de atracción. Hay una serie de mecanismos por los cuales las cargas positivas y negativas se pueden separar. El método más antiguo fue la transferencia de carga por fricción. Por ejemplo, si se frota una varilla de vidrio con un paño de seda, parte de la carga negativa se elimina del vidrio y es absorbida por la seda, dejando el vidrio con una carga neta positiva y la seda con una carga neta negativa.

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Un mecanismo mucho más importante para la separación de carga ocurre en una batería. Considere dos electrodos, uno hecho de cobre y el otro de zinc, que se colocan en una solución ácida diluida. En ambos electrodos, las fuerzas químicas harán que parte del metal se disuelva. Algunos iones metálicos cargados positivamente se eliminan de cada electrodo metálico y se disuelven, dejando una carga neta negativa en cada electrodo. Sin embargo, las fuerzas químicas que hacen que los dos electrodos se disuelvan son diferentes para los dos metales y, por lo tanto, un electrodo se carga más negativamente que el otro. Si los dos electrodos están conectados externamente por un cable, la corriente fluirá porque un electrodo es positivo en relación con el electrodo con la carga más negativa. La diferencia en la carga neta entre los dos electrodos es mantenida por fuerzas químicas.

El mecanismo más importante para producir la separación de carga es el generador eléctrico. En este dispositivo, una fuente externa de energía mecánica provoca la rotación de bobinas de alambre en un campo magnético. Se produce una fuerza eléctrica en las bobinas por inducción de Faraday, y esta fuerza provoca un flujo de corriente a un circuito externo. Otros mecanismos para producir la separación de carga incluyen efectos fotoeléctricos, termoeléctricos y piezoeléctricos.

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