¿Qué es la electricidad? Una introducción a la magia científica

Prefacio

La electricidad es una cosa asombrosa, y es más asombroso que somos capaces de dirigir de manera tan maravillosa. Podemos dirigirlo y utilizarlo en cantidades masivas, impulsando la energía eléctrica a través de todo el mundo, y sin embargo, al mismo tiempo, podemos aprovechar su misma potencia en millones de pequeñas puertas lógicas en un procesador de una pulgada. La electricidad está detrás de algunas de nuestras máquinas más poderosas, y está detrás de todas nuestras modernas máquinas de “pensamiento”, siendo las que pueden calcular. Lo curioso para mí, es que realmente no podemos experimentar electricidad excepto como efectos secundarios. Lo que quiero decir con esto es que podríamos ser capaces de ver un rayo, o sentir que la electricidad recorre nuestra carne (esperemos que no nos mate), pero realmente no podemos tener, o tocar, la electricidad decir en nuestras manos como un “físico “Objeto. Esto se debe en parte a que la electricidad funciona a un nivel tan microscópico, verdaderamente entre los átomos y las cosas que forman los átomos, y en parte porque la electricidad es una forma de energía. Cuando piensas en energía, puedes estar inclinado a pensar en las energías vibracionales de la conciencia, o sentir una buena energía de una actuación musical, pero lo que quiero decir con energía es lo que puede manifestarse en una fuerza. Un gran yunque suspendido en medio aire a punto de caer tiene mucha energía potencial, pero esa energía no es algo que podemos, una vez más, ver, mantener o tocar. Cuando un coche va de cero a sesenta en tres segundos, está gastando mucha energía para mover su enorme cuerpo metálico, y aunque podemos ver el movimiento del coche, no podemos ver, mantener o tocar la energía que actúa sobre él. En este sentido, la energía, y muchos de los elementos que componen un estudio de la electricidad, son concretos y abstracciones. Es un concreto en el sentido de que existe en nuestro mundo físico, hasta cierto punto, pero abstracto en el sentido de que tenemos que construir una comprensión de él en nuestras mentes ya que es invisible.

Esto es algo difícil para mí personalmente, porque me he adaptado y entrenado para tratar muchas cosas puramente como abstracciones. Comprender algo en el que las relaciones entre las abstracciones son mitigadas por su ubicación y función en un espacio físico, su naturaleza, ha demostrado algo, bien, difícil para mi cerebro grok. La razón por la que mis ideas sobre cómo funcionan las abstracciones y conectarse entre sí es así porque he pasado mi vida aprendiendo y entendiendo los sistemas de programación de computadoras. En la programación de computadoras todo es una abstracción, y ninguna abstracción particular tiene ninguna contraparte de “vida real” aparte de lo que los programadores denominan expresiones de código “físicas”. La comprensión de la relación entre las cosas completamente abstractas, siendo relaciones puramente abstractas, es fácil para mí. Comprender y aprender la relación entre los conceptos abstractos donde las relaciones se determinan en la realidad física es una nueva experiencia.

Sin embargo, quiero construir dispositivos electrónicos no sólo para ser entidades autónomas, como los robots, sino para “aumentar” en un grado mi funcionamiento humano normal. Si quiero construir un robot, voy a tener que aprender cómo la electricidad y los circuitos de trabajo, en particular los circuitos integrados y tal. Si quiero construir mi propio ojo de seguimiento de realidad aumentada headwear, saber cómo conectar diodos en circuitos y pantallas a los microcontroladores va a ser una necesidad. Por lo tanto, he decidido esforzarse aquí para explicar cómo funciona la electricidad desde la perspectiva de alguien que está aprendiendo por primera vez. Espero tener éxito.

Electricidad

Los antiguos eran escasos conscientes de la electricidad como somos conscientes de ello hoy en día. Lo más cercano que llegaron a experimentar o identificar algo como perteneciente a la categoría de lo que podríamos llamar “eléctrico” fueron los relámpagos y los choques de los peces eléctricos. Aunque la conexión entre el relámpago y estas anguilas y tales era débil, los egipcios se refirieron a estas criaturas como “Trueno del Nilo” en textos que datan de 2750 aC. Sin embargo, los árabes hicieron una conexión más directa lingüísticamente antes del siglo XV donde la palabra para el rayo (رعد) fue aplicada al rayo eléctrico. Sin embargo, de la mayor importancia eran los Griegos y otras culturas alrededor del mediterráneo que observaron que el ámbar, frotado con la piel, poseía características extrañas. Esta extraña propiedad era por supuesto la electricidad estática y sus efectos magnéticos suaves, y fue estudiada por Thales de Mileto. Sin embargo Thales no pudo determinar el fondo eléctrico presente en este fenómeno.

Fue hasta el 1600s que la electricidad fue identificado o incluso acuñado como una palabra, bastante gracioso, ya que la palabra tiene raíces griegas. William Gilbert de Inglaterra también estudió mucho el mismo fenómeno que Thales estudió, pero fue capaz de comprobar que había dos efectos presentes: el efecto de la piedra lodera y lo que ahora conocemos como electricidad estática. En 1646 la palabra fue “canonizada” en la obra Pseudodoxia Epidemica de Thomas Browne, y ahora tenemos las palabras electricidad y electricidad.

Primeros pasos: cargos

El primer paso hacia la comprensión de la electricidad es entender lo que yo llamo carga. Otras personas lo llaman la carga, pero a veces la palabra se utiliza en otro contexto. En este contexto simplemente estoy describiendo una medida que algo puede tener. La carga existe en un continuo entre dos polos: positivo y negativo. En el centro, no hay cargo:

En general, estas dos cargas de agujero una relación especial entre sí, y ellos mismos. La idea aquí es que los cargos opuestos se atraen y las mismas cargas se repelen. Esto es cierto en la electricidad, la estructura de un átomo, y el magnetismo, que también están relacionados. Puede visualizar esta relación en el siguiente diagrama:

Así que, en esencia, las cosas, particularmente las partículas, tienen una carga. Ese cargo es o bien sin cargo, cargo positivo o carga negativa. Cargas diferentes, que son opuestas en el continuo, se atraen entre sí, y cargas iguales o similares se repelen entre sí.

Históricamente esto fue descubierto y codificado por Charles-Augustin de Coulomb. Una bola conductora suspendida de una cuerda se puede cargar tocando con una varilla de vidrio cargada (lograda frotándola con un paño). Si una bola similar es cargada por la misma vara entonces ambas pelotas tienen la misma carga, y cuando se acercan una a la otra se repelen entre sí. Sin embargo, si una de las bolas se carga de una manera similar con una varilla ámbar, ambas bolas se mueven una hacia la otra. En esencia, la carga “opuesta” del ámbar hace que las bolas se atraigan. Esto inspiró a Charles a declarar que la carga viene en un continuo enfrentado, como hemos demostrado, y el axioma de que “los objetos cargados como objetos se repelen y los objetos con carga opuesta se atraen”. De hecho, hay una construcción matemática conocida como la Ley de Coloumb que describe las fuerzas que están afectando a estas bolas en relación con su carga. Esta fuerza, esa atracción de la repulsión, también se llama fuerza electrostática. Espero cubrir la Ley de Coloumb y la electricidad estática en otro artículo.

La comprensión de la carga puede ayudarnos a comprender el medio de la corriente eléctrica, es decir, los átomos y las partículas que forman esos átomos.

Átomos

La electricidad, tal como la conocemos, tiene su origen en los átomos. Para entender cómo fluye la electricidad como una fuerza o ejerce cualquier tipo de fuerza, debemos entender el medio, o material, a través del cual opera la electricidad. Los átomos tienen una larga historia que data todo el camino de regreso a los antiguos griegos e indios. De regreso en estos días los filósofos todavía estaban tratando de averiguar qué eran exactamente las cosas físicas en nuestro universo compuesto de? Los “físicos”, o como se sabe comúnmente, los filósofos pre-socráticos rechazaron las explicaciones mitológicas de los acontecimientos naturales, y se separaron de los teólogos de la época. Ellos querían responder preguntas sobre la realidad natural a través de la racionalidad y le hicieron muchas preguntas incluyendo, “¿De dónde viene todo?” Y “¿Cómo está todo compuesto?”

Tales, el padre de la filosofía griega, declaró que el agua era el compositor de todas las cosas, pero Anaximandro llegó más tarde a asumir una sustancia indefinida, ilimitada, sin cualidades de las que surgían los opuestos, como el frío y el calor. Anaximenes decidió que el aire hacía todas las cosas, engrosándose y adelgazando para formar objetos materiales. Heráclito de la escuela de Efeso decidió que todas las cosas existentes estaban en flujo perpetuo, conectadas por un patrón conocido como Logos. Para él, el fuego era el elemento principal de este patrón. Luego vino Empedocles, afirmando que había múltiples elementos en juego siendo aire, tierra, fuego y agua. Anaxágoras decidió que todos estos fueron ordenados por la razón, o una especie de mente divina. Se puede ver que la lucha era real.

Por fin llegó un hombre llamado Leucipo y su discípulo Demócrito y decidió que la materia estaba hecha de átomos. Átomos viene del griego ἄτομον que significa indivisible. Estos átomos debían aparecer filosóficamente en una infinita variedad de formas y tamaños, pero su característica distintiva era su indestructibilidad e inmutabilidad. Estaban rodeadas por un vacío de nada, y en este vacío chocan con otros átomos o se combinan para formar racimos. Filosóficamente brillante, y científicamente muy cercano, ésta era la doctrina del atomismo. Cabe señalar también que Demócrito no debe ser la única persona acreditada con el atomismo, hubo muchas escuelas en la antigua India, así que llegaron a tales conclusiones, incluyendo el Jain, Ajivika, Carvaka. Las escuelas Nyaya y Vaisheshika desarrollaron posteriormente estas nociones para incluir las combinaciones de átomos en objetos más complejos. También hubo pensamientos de atomismo en la historia islámica, como en la escuela de teología asharita. El atomismo no es necesariamente el único dominio de los filósofos griegos, pero Demócrito fue una de las primeras figuras históricas que realmente captó la idea en su totalidad.

Las edades oscuras vieron un rechazo del atomismo filosóficamente, y desafortunadamente, la teoría y sus obras casi se perdieron por completo si no fuera por algunos hombres responsables del renacimiento del atomismo en el siglo XVI. Tales famosos científicos y filósofos como René Descartes, Pierre Gassendi y Robert Boyle abogaban y entretenían el atomismo. Es realmente divertido, el círculo de Northumberland que revivió la forma clásica de atomismo fue considerado parte de la vanguardia, y no necesariamente totalmente aceptado. Francis Bacon se convirtió en un atomista en 1605, pero más tarde rechazó algunas de sus afirmaciones. Galileo se convirtió en un defensor del atomismo en su discurso de 1612 sobre los cuerpos flotantes, y más tarde ofreció más información y elaboración sobre el atomismo en The Assayer, donde propuso una teoría corpuscular de la materia.

El trabajo filosófico adicional continuó en los átomos hasta que la semilla de lo que ahora conocemos como la teoría atómica, basada en la evidencia, fue propuesta por John Dalton en 1808. Él había intentado ganar evidencia empírica sobre la composición de la materia y notó que el agua destilada se convirtió Hidrógeno y oxígeno en las mismas proporciones. Esta era la evidencia empírica de las teorías matemáticas anteriores propuestas por Roger Boscovich que construyó sobre las ideas de Newton y Leibniz. El trabajo de Dalton fue polémico durante el siglo XIX hasta el siglo XX con el surgimiento de la física atómica.

Joseph von Fraunhofer estaba estudiando líneas espectrales, omisiones o adiciones en un espectro de luz continua resultante de emisiones o absorciones de luz en un rango de frecuencia estrecho, y su trabajo llevó al desarrollo del modelo de átomo de Bohr y al nacimiento de la mecánica cuántica. A partir de ahí, los científicos han revisado y desarrollado los modelos atómicos y cuánticos de la materia para formar lo que tenemos hoy. Es fascinante ver cómo el hombre fue capaz de intuitivamente idear y “ver” un marco para la materia en filosofía e incluso espíritu, sólo para que se haga “realidad”, por así decirlo, con un análisis probatorio mucho mayor.

Entonces, ¿qué constituye un átomo? Los átomos, en el sentido más simple, son una colección de partículas cargadas que consisten en electrones, protones y neutrones. En qué consiste exactamente una partícula, o cómo se comporta, como una masa o una ola, es un tema completamente diferente, pero por ahora se puede imaginar como lo hago cuando pienso en los átomos: pequeñas bolas pequeñísimas de masa de energía . Los electrones son partículas cargadas negativamente, mientras que los protones son partículas cargadas positivamente. Los neutrones tienen, por lo que sabemos, sin cargo alguno.

La idea aquí es que un átomo tiene un núcleo compuesto de protones y neutrones, y “orbitando” alrededor de ellos (hacen más ocho caminos en realidad), son los electrones, al igual que un sistema solar en miniatura. De hecho, los electrones forman múltiples cáscaras alrededor del núcleo, es decir, que en una capa (cáscara) uno o dos electrones pueden estar en órbita, y en otra capa externa (cáscara) seis u ocho podrían estar haciendo lo mismo. Hay reglas muy específicas sobre cuántas conchas puede tener un átomo y cuántos electrones contienen, y se ofrece como interesante lectura adicional.

Un átomo usual en equilibrio tiene igual cantidad de protones que los electrones. Esto significa que el átomo es eléctricamente neutro en que la carga de los electrones es igual a la carga de los protones. Los electrones de un átomo “solos” se consideran en un estado fundamental, ya que no están “excitados” y tienen sólo lo que considero la cantidad mínima necesaria de carga. Es posible que los electrones obtengan energía adicional de luz, campos magnéticos, colisiones con otras partículas y entren en un estado excitado. Los electrones que pueblan una cáscara particular están en un estado ligado, que es diferente del estado fundamental. Sin embargo, el estado se llama así porque en realidad puede hacer que un electrón salga de su concha aplicando una cantidad de energía de unión, estimulándola y al mismo tiempo haciendo que el átomo sea ionizado (el proceso en el cual un átomo en sí mismo en su totalidad Se considera que tienen una carga positiva o negativa a través de la pérdida de un electrón o protón de equilibrio.) Los electrones en la capa más externa, los “más alejados” del núcleo, se consideran electrones de valencia y el número de electrones en la capa más externa es A veces referido como la varianza del átomo. Esta característica e información es muy útil en química, pero tiene un gran significado para la corriente eléctrica, como pronto leeremos.

Se puede imaginar electrones, protones y neutrones componiendo un átomo como un poco como el siguiente diagrama:

Elementos y moléculas

Hoy en día hay muchos materiales y sustancias en el campo. La cuestión es cuál es la porción indivisible más pequeña de estas sustancias. Responder a esta pregunta da lugar a entender exactamente de qué se compone esa sustancia, ni más ni menos. Algunas sustancias son “puras” por así decirlo, y están compuestas de un solo átomo. El átomo se convierte en la pieza indivisible más pequeña de la materia todavía identificable como esa sustancia. Por ejemplo, el hidrógeno es reducible a un átomo que consiste en un protón y un electrón. El oxígeno es otra sustancia que es reducible a un átomo que consiste en 2 protones, 2 neutrones y 2 electrones. Algo que es reducible a un solo átomo se conoce como un elemento. Se han identificado más de 100 elementos. Los elementos se pueden categorizar en una serie de características diferentes, pero la categorización más popular es una tabla de aumento de peso (protones y neutrones dan un átomo más de su peso), que los agrupa también en familias que tienen propiedades similares. Es posible que haya oído hablar de esta tabla como la tabla periódica de elementos.

Algunas sustancias, en su forma más pequeña, están formadas por múltiples átomos, o elementos. El ejemplo más sencillo y más accesible es el agua. No hay elemento “agua”, o átomo, en su lugar el agua está formada por tres átomos: 2 átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Los átomos están unidos de tal manera para formar lo que conocemos como agua. Esta composición de átomos múltiples, en su forma irreducible, se conoce como molécula. En una nota lateral, cuando las moléculas enteras se combinan o se separan de otra se refiere como cambio físico. Donde como cuando las moléculas de una sustancia se alteran para formar nuevas moléculas se conoce como un cambio químico. Lo que es interesante aquí es que la mayoría de los cambios químicos implican iones positivos y negativos y, por lo tanto, son de naturaleza eléctrica. De esta manera, se podría decir que toda materia es de naturaleza eléctrica. De muchas maneras, nosotros mismos somos eléctricos. Eso es un pensamiento.

Corriente eléctrica

Una de las ideas centrales de la electricidad que tratamos sobre una base constante en nuestras vidas modernas es la de la corriente eléctrica. Cuando la gente piensa en la electricidad, esto es generalmente lo que se refieren. Rayos, chispas, lo que dispara a través de su cuerpo cuando se pega un cuchillo en una toma de corriente (no hacer eso!), Lo que ocurre en un circuito de gran escala, como una bombilla, o un pequeño circuito integrado, es toda la corriente eléctrica.

La electricidad en este paradigma o visión podría definirse como la “fuerza que mueve los electrones”. Esta es una definición interesante porque hace bien describir un efecto, pero no describe realmente la fuerza. Para hacer esta última frase clara, imagine si definimos un motor de coche como la “fuerza que mueve un coche”. No hemos dicho nada sobre el motor, sólo lo que hace el motor, tampoco hemos dicho nada sobre la fuerza electromotriz, sólo lo que hace la fuerza. Hay muchos tratados, particularmente en niveles cuánticos, sobre qué es exactamente esta fuerza, pero están fuera del alcance de este artículo.

Esto no ha impedido que todo un grupo de personas determinara y observara cómo esta fuerza opera bajo varias condiciones. Aunque uno no necesariamente entiende la fuerza, al entender cómo se comporta, o qué efectos tiene, puede aprovechar su poder en maneras tremendas sin conocer su verdadera identidad. También, por ahora, no necesitamos preocuparnos de donde esta fuerza se manifiesta o viene, por ahora simplemente imaginar su fuente tal como una batería como una caja negra que produce esta fuerza.

Cuando aplicamos esta fuerza a una sustancia dada, digamos un elemento puro, la idea es que los electrones en la órbita externa, o lo que identificamos anteriormente como los electrones de valencia, son empujados fuera de la órbita y proceden a lo largo de la “dirección” de la corriente. Aunque hay condiciones en las que los protones podrían moverse, no suele ser el caso, porque los protones son muy pesados ​​en comparación con el electrón más ligero. El protón en hidrógeno por ejemplo es 1.850 veces heaver que su electrón correspondiente. Sabemos que cuando un átomo pierde un electrón se ioniza (perder un electrón provoca que se cargue positivamente, también conocido como un ion positivo). Llamamos a este electrón recién desatado un electrón libre. La corriente eléctrica tiene una trayectoria, generalmente un circuito, que establece una dirección para que el electrón libre se mueva, sin embargo, en todos los casos el electrón libre se mueve de un átomo a otro. Esta cadena de átomos continuamente ionizada y luego desionizada a medida que los electrones se mueven de un átomo a otro se conoce como corriente eléctrica. Este modelo de corriente eléctrica se conoce como el modelo de flujo de electrones. Puede representar este proceso como el siguiente diagrama:

Diferentes sustancias tienen diferentes composiciones atómicas. Si la sustancia es un elemento, su componente más pequeño es un solo átomo, en cuyo caso la mayor varianza radica en el número de electrones de valencia presentes. Las sustancias que se reducen a moléculas son mucho más complejas. La idea general es que cuanto más electrones de valencia existen, más difícil es mover un solo electrón fuera de esa concha, haciendo que se convierta en un electrón libre. De esta manera, las sustancias se pueden clasificar en cuanto a electricidad como conductores y aisladores (también conocidos como conductores pobres, o no conductores).

Los conductores son sustancias que permiten un flujo fácil de un gran número de electrones. En cobre, por ejemplo, cada electrón se desplaza de un átomo al siguiente átomo forzando a otro electrón fuera de órbita, repitiendo el proceso una y otra vez. Cuanto mayor sea el número de electrones movibles en un material bajo una fuerza dada, mejor será la conductividad de ese material. Otra manera de imaginar esto es que el material tiene baja oposición al flujo de electrones. Otro factor en la conductividad es las dimensiones de un material, pero no nos preocuparemos por eso por ahora. Buenos conductores ejemplo incluyen plata, cobre, aluminio y así sucesivamente.

Los aisladores por otro lado tienen una alta oposición al flujo de electrones. En un nivel atómico, esto puede deberse a un mayor número de electrones de valencia, lo que hace más difícil “hacer estallar” un electrón libre. Ejemplos de buenos aisladores incluyen caucho, vidrio, madera, baquelita, y tal. Para que el flujo de electrones se produzca en una sustancia que se conoce como un aislante, se debe gastar una cantidad mucho mayor de fuerza eléctrica que cuando se compara con un conductor.

Dado que se sabe que el flujo de electrones existe en toda la materia en una medida u otra, no importa cuán pequeño, no existe una línea divisoria real entre el conductor y el aislante. Realmente, es simplemente una medida de conductividad. La idea para la mayoría de los electricistas es utilizar los mejores conductores para llevar la corriente eléctrica en un circuito, y los aisladores dicen alrededor de esos conductores para proteger el flujo de ser desviado.

El flujo de electrones no es el final de la historia cuando se trata de electricidad. La corriente eléctrica está relacionada con algún otro fenómeno, incluyendo la producción de calor (que James Joule estudió matemáticamente en 1840) y la “producción” de campos magnéticos observada por Hans Christian Ørsted en 1820. La corriente eléctrica y la relación de la electricidad con la magnética Campos y magnetismo es muy importante y será objeto de otro artículo. Es bastante complejo, y merece más espacio para ser ampliado.

Conclusión

Esta fue una introducción a los aspectos centrales de la electricidad como la mayoría de la gente lo concibe. La electricidad tiene muchos aspectos que espero ampliar en futuros artículos incluyendo carga, corriente, magnetismo, campos, potenciales, química y poder. El modelo de flujo de electrones es, creo, el modelo de corriente eléctrica más fácil de entender, pero es un modelo simplista. Los esfuerzos actuales para comprender la naturaleza y la identidad de la electricidad han llevado a los investigadores a pensar en la corriente eléctrica más en términos de campos de carga, pero a partir de allí resultaría demasiado complejo para una introducción a la electricidad.

Espero que hayan podido encontrar este artículo útil y gracias por leer!

Este artículo es parte de una lista más grande conocida como “Electricidad: Magia Científica

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