rubius escribió:Pero es que quiero una explicación desde lo básico.
Pregunto a nivel fundamental.
Supongo que hay muchos sitios por ahí que lo explican, pero no los conozco.
Aunque dadas mis carencias en física pues necesito que alguien me lo dé mascado.
Cuando estudiaba me hablaban de un flujo de electrones , más adelante me hablaron también de huecos y no se que más.
Pero nunca he tenido claro lo que era.
Si es un flujo de electrones me gustaría saber de dónde salen , si fluyen, si se mueven , si solo vibran,si en realidad es un flujo de otra cosa ...
Lo intentaré. Si lo consigo me debes una.
Desde el punto de vista fundamental la cosa es relativamente fácil. Hay partículas (algunas elementales como el electrón o el muon y otras compuestas como el protón) que tienen una propiedad que llamamos "carga". Esta propiedad se manifiesta, en esencia, ejerciendo una fuerza (que modelamos con herramientas que llamamos "campos") de características muy concretas y distintas de las de otras fuerzas fundamentales que se han identificado entre partículas. Y lo hacen sobre otras partículas que comparten esta propiedad. También se observa otra particularidad entre las partículas que crean esta fuerza fundamental (que llamamos interacción electromagnética): algunas combinaciones de dos partículas con carga producen fuerzas de repulsión y otras combinaciones las producen de atracción (aunque ambas fuerzas son, por lo demás, de idénticas propiedades, como su intensidad, alcance, etc.). De esto se deduce que existe más de un tipo de carga de las que algunas combinaciones de dos en dos producen entre sí interacción electromagnética de atracción y otras de repulsión. Dado que observamos que las combinaciones de dos partículas idénticas (las que comparten el resto de propiedades conocidas como masa, spin, etc.) con carga crean fuerzas de repulsión (por ejemplo, protón-protón, muon-muon, electrón-electrón, positrón-positrón, etc.), se deduce que las combinaciones de dos partículas caracterizadas por el mismo tipo de carga se repelen. Sin embargo, cuando observamos el comportamiento de dos partículas con carga que no comparten todas sus propiedades restantes¹, es decir, que son dos partículas distintas, observamos que con algunas combinaciones se produce repulsión (p.e., las combinaciones electrón-muon o positrón-protón) pero con otras se produce atracción (p.e., las combinaciones protón-electrón o protón-muon). De esto se deduce que si hay varios tipos de carga, al menos algunas combinaciones de dos partículas caracterizadas por distintos tipos se atraen. ¿Cómo probamos que basta con dos tipos de carga? Analizando las combinaciones: todas las combinaciones de partículas que con el protón (por ejemplo) producen atracción, entre ellas producen repulsión. Por ejemplo, se cumple que las combinaciones protón-electrón y protón-muon producen las dos atracción y la combinación electrón-muon produce repulsión. Si electrón-muon produjera atracción mutua también, se habría demostrado insuficiente la clasificación de sólo dos tipos de carga. Hasta donde llega la experimentación actual, todas las posibles combinaciones permiten contemplar sólo dos tipos de carga. Como sólo hay que describir dos tipos, a los tipos de carga se les denominó “signo”.
De este modo podemos clasificar a la propiedad carga en dos tipos generales que se denominaron arbitrariamente como carga positiva y negativa. Las que se repelen entre sí tienen las dos el mismo tipo de carga y las que se atraen mutuamente tienen distintos tipos de carga entre ellas. Si atribuyes (arbitrariamente) carga negativa al electrón, asignarás carga negativa a toda partícula que presente repulsión electromagnética con ella y asignarás carga positiva a toda partícula que, respecto del electrón, presente atracción (siempre del tipo electromagnética, que es lo que caracteriza a la propiedad "carga").
La fuerza electromagnética es muy fuerte y de alcance infinito. En comparación con la gravedad, que también se define de alcance infinito, es casi 40 órdenes de magnitud más fuerte (algunos sextillones de veces más intensa). Esta es la razón por la que es tan dominante a escala microscópica. En esencia, toda la química se describe por las interacciones electromagnéticas (de hecho, creo que a ese nivel es posible hacerlo prescindiendo del resto de fuerzas fundamentales). Los enlaces (covalentes o iónicos) son una consecuencia de esta interacción por lo que entender la mecánica por la que se forman o mantienen todas las posibles moléculas pasa por entender, casi exclusivamente, las interacciones electromagnéticas. Se puede decir que la química es el estudio de las interacciones electromagnéticas de los átomos.
Sin embargo, desde el punto de vista macroscópico y exceptuando nuestras máquinas y casos muy particulares e inestables, casi parece no existir. Esto es porque, a diferencia de la gravedad, la mezcla de partículas con carga positiva y negativa a gran escala se anulan. Dicho de otro modo, a gran escala las cargas se equilibran porque se distribuyen en las mismas proporciones y de un modo más o menos homogéneo en el espacio. Y, por si esto fuera poco, las partículas con carga tienden a distribuirse de tal modo que se anulan por lo que los sistemas locales desequilibrados son raros e inestables. Sólo observamos sus efectos cuando existe desproporción y la medida de las fuerzas que crean son sólo proporcionales a esa desproporción. Cuando producimos lo que llamamos energía eléctrica lo que en realidad hacemos es crear la “desproporción”: redistribuimos las cargas ordenándolas en el espacio por su signo y después aprovechamos el desequilibrio por su tendencia a volver a equilibrarse. Por eso observamos el universo, en general, dominado por la gravedad a pesar de ser una fuerza fundamental muchísimo más débil. La gravedad no se anula y, por lo sabemos hasta ahora, sólo suma.
Lo otro que es necesario comprender es cómo son lo que llamamos, a nuestra escala, los sólidos. Tenemos la percepción intuitiva de que un sólido es un objeto continuo por cómo lo vemos y por lo que sentimos cuando lo tocamos. La realidad es que todo cuanto "tocamos" es en realidad un vacío enorme. Las partículas que nos forman a nosotros y que forman lo que tocamos (por ejemplo, un conductor eléctrico como el cobre) son minúsculas en comparación con el enorme vació en el que están. Lo que sientes cuando tocas con el dedo una tecla es la repulsión de sus átomos a los tuyos. Tocas campos de fuerza, no partículas. Y tanto la tecla como el dedo son, en realidad, casi todo vacío. En un sentido especial, no interactuamos con las partículas, lo hacemos con los campos de fuerza que generan. Sientes la acción de campos de fuerza. No hay otro tipo de "contacto". Es importante entender esto porque las cargas libres (los que pueden circunstancialmente no estar atados a ningún átomo) se encuentran, dentro de un sólido como un conductor de cobre, rodeados de un inmenso vacío y condicionado por los átomos sólo por el efecto de los campos que forman. En ese mundo no hay “choques” en el sentido clásico de la palabra y un pequeño desequilibro electromagnético los acelerará sin muchos problemas. En cierto sentido, los electrones que mueve la electricidad viajan más o menos a través de un vacío casi total; un "vacío" que llamamos cobre.
Por último, en contra de los que es una creencia muy extendida, las cargas se desplazan a una velocidad bastante lenta en los conductores. Del orden de unos milímetros por segundo. Lo que se desplaza a una gran velocidad en un conductor es el campo eléctrico. Si yo creo un campo eléctrico que afecta a los electrones libres del extremos de un cable, casi instantáneamente tendré un campo equivalente en el otro extremo. Los electrones transmitirán esta energía unos a otros rápidamente como si fuera una cadena. Pero eso no quiere decir que estos se desplacen a esa velocidad cuando esa energía los acelera produciendo trabajo eléctrico. Un amperio equivale al paso de varios trillones de electrones por segundo a través cualquier sección de un cable, pero no porque se desplacen rápidos sino porque hay muchos. Una cosa más; la corriente eléctrica no tiene porqué ser sólo de electrones: cualquier carga, positiva o negativa, de protones, muones, electrones o lo que sea con carga neta, sirve. Ocurre que los electrones libres son muy abundantes en los cables y tienen muy poca masa. En realidad, en sentido estricto también es electricidad que un átomo entero al que le sobran o le faltan electrones (iones) se desplace por un medio (tiene carga eléctrica neta no nula).
Ya llevo demasiado escrito. Si no tienes una duda muy concreta no sé qué más puedo decirte sobre los fundamentos de la electricidad.
Un saludo.
¹ La ciencia clasifica a las partículas elementales por sus propiedades. Si una partícula no comparte con otra alguna de sus propiedades, la clasificamos con otro nombre. Es decir, no existen electrones sin carga, como si esa propiedad fuera algo que pudiera tener o no. Parece una perogrullada pero no lo es: un electrón es del todo indistinguible de otro por definición.
por rubius » Dom 11 Sep 2011 , 2:03 
