Propiedades Fundamentales de los Materiales: Fuerza, Luz, Electricidad y Magnetismo

Los materiales sólidos ante la acción de las fuerzas

El comportamiento de los materiales al aplicarles una fuerza mecánica se denomina propiedades mecánicas. El tipo de reacción dependerá de cómo se ejerza la fuerza, pudiendo ser de tracción (cuando se estira), compresión (cuando se aplasta) o torsión (cuando se retuerce). Los materiales sólidos pueden deformarse o no cuando se aplica una fuerza.

Elasticidad

La elasticidad es la característica que tienen algunos materiales que se deforman al aplicarles una fuerza, pero recuperan su forma inicial cuando esta deja de actuar. Ejemplo: una cinta de goma, un muelle.

Plasticidad

Los materiales plásticos son aquellos que se deforman al aplicarles una fuerza, pero no recuperan su forma inicial al cesar la interacción, quedando con una deformación permanente. Ejemplo: la plastilina, la arcilla.

Flexibilidad

Cuando la fuerza aplicada es de torsión o flexión (doblado), la propiedad que describe la capacidad de un material para deformarse sin romperse se denomina flexibilidad. Un material flexible puede doblarse fácilmente.

Rigidez

Los materiales rígidos son aquellos que apenas se deforman o no se deforman visiblemente por la acción de las fuerzas externas, oponiendo gran resistencia a la deformación. Ejemplo: el hormigón fraguado, el vidrio.

Los materiales y la luz

La forma en que los materiales interactúan con la luz determina sus propiedades ópticas.

Transparentes, translúcidos y opacos

La transparencia es una propiedad que nos indica la capacidad de un material para dejar pasar la luz a su través.

• Materiales opacos (ej.: cartón, madera, metales): No dejan pasar la luz a través de ellos y, por lo tanto, no se puede ver a su través. Originan sombras definidas.
• Materiales transparentes (ej.: cristal de ventana, agua pura, algunos plásticos): Dejan pasar la luz casi en su totalidad y es posible ver con nitidez los objetos a través de ellos.
• Materiales translúcidos (ej.: pavés, papel vegetal, vidrio esmerilado): Dejan pasar la luz, pero la dispersan, por lo que no permiten distinguir con claridad los detalles de los objetos a través de ellos.

Espejos y lentes

Los espejos tienen una superficie muy pulida (generalmente metálica o recubierta de metal) que refleja la luz de forma regular y especular, y lo que percibimos es la imagen del objeto reflejado.

Existen dos clases principales de espejos:

• Planos: Producen imágenes virtuales, derechas, del mismo tamaño que el objeto y simétricas respecto al plano del espejo.
• Curvos (cóncavos o convexos): Producen imágenes que pueden ser reales o virtuales, aumentadas, disminuidas, derechas o invertidas, dependiendo del tipo de espejo y la posición del objeto.

Las lentes son objetos transparentes, generalmente de vidrio o plástico, con al menos una de sus superficies curva, que refractan (desvían) la luz que pasa a través de ellas. Permiten obtener imágenes más grandes (ej.: lupas, objetivos de microscopios) o más pequeñas que los objetos reales, o se utilizan para corregir defectos de la visión (ej.: gafas, lentes de contacto).

El color

La luz blanca, como la proveniente del Sol, en realidad está compuesta por una mezcla de luces de diferentes colores. Se puede descomponer (por ejemplo, mediante un prisma) en los siete colores principales del espectro visible: rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil y violeta. Cuando un rayo de luz llega a un cuerpo opaco, una parte de los colores que componen esa luz es absorbida por el material y otra parte es reflejada. La combinación de las longitudes de onda de la luz reflejada es la que percibimos con nuestros ojos y la que determina el color del objeto. Un objeto es blanco si refleja todos los colores y negro si los absorbe todos.

Materiales, electricidad y magnetismo

La electricidad y el magnetismo son dos formas de energía íntimamente relacionadas (fenómenos electromagnéticos), con una causa común: la existencia y el movimiento de cargas eléctricas en la materia.

Materiales magnéticos

Los imanes son materiales que tienen la propiedad intrínseca de generar un campo magnético a su alrededor y, como consecuencia, atraer a otros materiales con propiedades magnéticas (ferromagnéticos), como el hierro, el níquel o el cobalto. A los materiales que son atraídos por los imanes, o que pueden ser imantados, se les denomina materiales magnéticos.

Los imanes siempre tienen dos polos, denominados convencionalmente polo norte (N) y polo sur (S). Es imposible aislar un polo magnético (no existen monopolos magnéticos). Los polos iguales (N-N o S-S) se repelen, mientras que los polos opuestos (N-S) se atraen.

Los imanes pueden ser:

• Naturales: Como la magnetita (Fe₃O₄), un mineral que posee propiedades magnéticas de forma natural.
• Artificiales: Materiales que adquieren propiedades magnéticas tras ser sometidos a ciertos procesos de imantación (por ejemplo, frotándolos con un imán natural o sometiéndolos a fuertes campos magnéticos). Ejemplo: acero imantado, aleaciones especiales.

La Tierra misma se comporta como un gigantesco imán, con sus propios polos magnéticos (cercanos a los polos geográficos), lo que permite el funcionamiento de las brújulas. Algunos materiales, como el hierro dulce o el acero, pueden convertirse en imanes temporales o permanentes mediante un proceso llamado imantación (o magnetización) por influencia o inducción magnética.

Electricidad estática: la carga eléctrica

Ciertos materiales, como algunos plásticos (ej.: PVC, polietileno) o el vidrio, al ser frotados con un tejido adecuado (por ejemplo, lana, seda o piel), pueden adquirir una carga eléctrica neta (positiva o negativa) debido a la transferencia de electrones. Este fenómeno, donde las cargas permanecen en reposo sobre el material, hace que ejerzan un poder de atracción o repulsión sobre otros materiales cercanos, cargados o neutros. Esto se conoce como electricidad estática.

Electricidad dinámica: la corriente eléctrica

La corriente eléctrica es el flujo ordenado de cargas eléctricas (generalmente electrones) a través de un material conductor, debido a una diferencia de potencial eléctrico. Los materiales se clasifican según su capacidad para conducir la electricidad:

• Conductores: Permiten el paso de la corriente eléctrica con gran facilidad, ofreciendo poca resistencia. Los metales (como el cobre, la plata, el oro y el aluminio) son excelentes conductores. El cuerpo humano y el agua con sales disueltas también son conductores.
• Aislantes (o dieléctricos): Ofrecen una resistencia muy alta al paso de la corriente eléctrica, impidiendo o dificultando enormemente su flujo. Los plásticos, la madera seca, el vidrio, la cerámica y el caucho son buenos aislantes.
• Semiconductores: Presentan una conductividad intermedia entre conductores y aislantes, y su comportamiento puede ser modificado bajo ciertas condiciones (temperatura, luz, campos eléctricos). Son la base de la electrónica moderna (ej.: silicio, germanio).

Circuitos eléctricos

Un circuito eléctrico es un camino cerrado o un conjunto de caminos interconectados por los cuales puede fluir la corriente eléctrica. Sus componentes básicos suelen ser:

• Generador (ej.: pila, batería, alternador): Es la fuente que suministra la energía eléctrica necesaria para que las cargas se muevan, creando una diferencia de potencial o voltaje.
• Conductores (ej.: cables metálicos): Materiales, usualmente hilos de cobre recubiertos de aislante, que permiten el flujo de la corriente eléctrica a través de ellos, conectando los distintos componentes del circuito.
• Receptor (ej.: bombilla, motor, resistencia, timbre): Elemento o dispositivo que consume la energía eléctrica y la transforma en otro tipo de energía útil (luz, movimiento, calor, sonido, etc.). La bombilla, por ejemplo, nos proporciona luz (efecto luminoso) y calor (efecto calorífico o Joule), y sirve para evidenciar el paso de la corriente.
• Elementos de control (ej.: interruptor, pulsador, conmutador): Dispositivos que permiten dirigir, interrumpir o permitir el paso de la corriente eléctrica a voluntad. Un interruptor, al cerrar el circuito, permite el paso de corriente (activar), y al abrirlo, lo interrumpe (desactivar).
• Elementos de protección (ej.: fusibles, interruptores automáticos): Protegen el circuito y los aparatos conectados contra sobrecargas o cortocircuitos.

Existen diferentes formas de conectar los componentes (especialmente los receptores) en un circuito. Dos configuraciones básicas son:

Circuitos en serie

En un circuito en serie, todos los componentes (receptores) están conectados uno a continuación del otro, formando una única trayectoria o camino para la corriente eléctrica. La corriente que atraviesa cada componente es la misma. Si un componente se desconecta, se funde o falla, todo el circuito se interrumpe y deja de funcionar.

Circuitos en paralelo

En un circuito en paralelo, los componentes (como las lámparas o receptores) se conectan en diferentes caminos o derivaciones (ramas) del circuito. El voltaje es el mismo para todos los componentes conectados en paralelo. La corriente eléctrica que sale del generador se divide y fluye a través de cada rama de forma independiente. Si un componente en una rama se desconecta, se funde o falla, los componentes de las otras ramas pueden seguir funcionando, ya que la corriente sigue teniendo caminos alternativos.