Polaridad eléctrica

El siguiente esquema se presenta como una descripción general y una guía temática sobre la polaridad eléctrica (también llamada polaridad eléctrica ). El término se utiliza con múltiples significados diferentes (algo relacionados) en distintos campos de estudio .

• En ingeniería eléctrica , la polaridad eléctrica define la dirección en la que fluiría la corriente eléctrica una vez que se conecta una fuente; ^{[ 1 ]} generalmente se utiliza para las fuentes de corriente continua , donde los terminales se etiquetan tradicionalmente con los símbolos de polaridad + (positivo) y - (negativo), y la corriente convencional se elige para que fluya del terminal positivo al negativo.
  • Por analogía, cuando en electrónica se observa una señal entre dos terminales, la medición del voltaje entre los terminales produce signos opuestos para la polaridad positiva y negativa. ^{[ 1 ]}
• En física y química , la polaridad eléctrica define la separación de carga eléctrica en cargas positivas y negativas ^{[ 1 ]} dentro de un sistema o molécula (por ejemplo, las moléculas de agua tienen una distribución desigual de electrones entre los átomos de oxígeno e hidrógeno ^{[ 2 ]} ). La medida cuantitativa de esta separación se denomina momento dipolar eléctrico .
• En biología , la polaridad eléctrica se refiere al signo de la diferencia de potencial eléctrico entre las partes de un organismo vivo. Por ejemplo, la superficie interna de la membrana celular suele tener carga negativa con respecto a la superficie externa (el llamado potencial de reposo ). Cuando esta polaridad se invierte brevemente en un nervio , se transmite un potencial de acción opuesto a largas distancias. ^{[ 3 ]} El potencial se mantiene mediante una bomba de sodio-potasio . Si bien los iones de sodio y potasio tienen carga positiva, su concentración desigual dentro y fuera de la célula provoca la diferencia de potencial.

Muchos dispositivos eléctricos, desde fuentes de alimentación hasta altavoces , funcionan en paralelo. Para un funcionamiento adecuado, los conectores de estos dispositivos suelen estar polarizados (ya sea mediante el uso de cables codificados por colores o enchufes donde los cables no se pueden invertir). ^{[ 4 ]}

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  Potencial eléctrico de la molécula de agua (el rojo indica la carga negativa).
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  Bomba de sodio-potasio en la membrana celular (simplificación excesiva)
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  Conector de altavoz polarizado y cable codificado por colores

Algunos componentes eléctricos no son polares y funcionan de la misma manera independientemente de la dirección de la corriente que los atraviesa. Por ejemplo, las propiedades de una resistencia no se ven afectadas si se intercambian los cables de sus terminales . Sin embargo, muchos otros componentes requieren una dirección particular de corriente para funcionar. Para los terminales de estos dispositivos eléctricos polarizados , se utiliza la terminología ánodo/cátodo, donde el ánodo es la conexión desde la cual fluye la corriente convencional (cargas positivas) dentro del componente (de ahí la mnemotecnia ACID, corriente de ánodo hacia el dispositivo). La terminología ánodo/cátodo no está directamente relacionada con el potencial eléctrico de los terminales. Generalmente, en una batería, el ánodo tiene un potencial negativo, mientras que en una carga eléctrica , positivo. El cátodo tiene el potencial opuesto: ^{[ 5 ]}

• Dentro de una batería eléctrica , las cargas positivas fluyen desde el ánodo (creando así un potencial negativo en este electrodo , véase la ilustración) hacia el cátodo.
• En un diodo , la corriente de funcionamiento suele fluir del ánodo al cátodo, y una flecha en el símbolo del diodo indica la dirección. Sin embargo, existen excepciones, como los diodos Zener , que se conectan con polaridad inversa , con la corriente de funcionamiento fluyendo del cátodo al ánodo. La terminología ánodo/cátodo también se utiliza para un dispositivo similar, un tiristor .
• Muchos condensadores son apolares, pero los electrolíticos tienen ánodos y cátodos, y el potencial del ánodo debe ser positivo con respecto al del cátodo para evitar daños, aunque no circule corriente continua durante su funcionamiento.
• En electroquímica , por convención, el ánodo es siempre el lugar donde se produce la oxidación y el cátodo la reducción . Existen dos tipos de celdas: galvánicas , donde las reacciones químicas espontáneas generan electricidad (por ejemplo, las baterías eléctricas comunes), y electrolíticas , donde una fuente de electricidad externa provoca reacciones químicas (por ejemplo, las baterías recargables durante la carga). ^{[ 6 ]} En una celda galvánica, el potencial del cátodo es positivo con respecto al ánodo; en las celdas electrolíticas, el cátodo es negativo con respecto al ánodo. ^{[ 7 ]}

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  Símbolo del diodo y marcas de polaridad típicas (bandas en el terminal del cátodo).
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  Símbolo del diodo Zener
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  Marcas de polaridad en un condensador electrolítico

Símbolos de transistores NPN (izquierda) y PNP. La polaridad se indica con una flecha.

Si bien un transistor de unión bipolar (BJT) puede considerarse de forma simplificada como dos diodos con un terminal compartido (ánodo para la variedad PNP), ^{[ 8 ]} la polaridad del transistor se suele expresar en función de la prevalencia de portadores de carga en las partes del dispositivo: tipo N para las regiones donde el flujo de carga se debe principalmente a los electrones (libres debido a la presencia de dopantes donadores ), y tipo P para las regiones donde el flujo se debe principalmente a los huecos de electrones (espacios disponibles para electrones adicionales, posibles gracias a la mezcla con los aceptores ). ^{[ 9 ]}

• El BJT utiliza ambos tipos de regiones (de ahí el adjetivo bipolar ) y se presenta en polaridad PNP o NPN . La polaridad se indica mediante una flecha que representa la dirección convencional de la corriente desde el emisor hasta la base . ^{[ a ]}
• El transistor de efecto de campo (FET) utiliza una región de un solo tipo (de ahí su otro nombre, transistor unipolar ) y puede ser un dispositivo de canal N o de canal P. La amplia variedad de dispositivos FET genera un conjunto complejo de marcas de polaridad ( la corriente convencional siempre fluye hacia abajo en las imágenes): ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

La naturaleza binaria ("polar") de los fenómenos eléctricos se conocía desde hacía mucho tiempo; sus similitudes con la polaridad magnética impulsaban la investigación sobre el electromagnetismo, y Ørsted finalmente logró encontrar un vínculo entre la electricidad y el magnetismo ( ley de Ørsted ) en 1820. ^{[ 13 ]} El uso de los signos más y menos para las cargas eléctricas opuestas fue introducido por Georg Christoph Lichtenberg en el siglo XVIII. Los términos positivo y negativo fueron introducidos por Benjamin Franklin en 1747. ^{[ 14 ]} Franklin comparó la electricidad con un fluido, donde lo positivo indicaba su exceso y lo negativo su déficit. Antes de Franklin, la nomenclatura variaba; por ejemplo, du Fay llamó a la carga positiva vítrea (ya que se puede obtener frotando vidrio) y a la negativa resinosa (obtenida frotando ámbar , resina ). ^{[ 15 ]}

Berzelius , en su obra de principios del siglo XIX sobre electroquímica , utilizó el término polaridad eléctrica para explicar las reacciones químicas . Según Berzelius, si bien todos los átomos poseían polaridades tanto positivas como negativas ( dualismo electroquímico , concepto ya obsoleto), el equilibrio dependía de cada elemento (por ejemplo, el oxígeno era negativo y el potasio positivo), y las reacciones se debían a la atracción eléctrica entre los átomos. ^{[ 16 ]}

Los términos ánodo y cátodo , que en griego significan aproximadamente «arriba» y «abajo» , respectivamente , fueron introducidos por Faraday . Sabiendo que el campo magnético terrestre se extiende de norte a sur y suponiendo que fue generado por una corriente convencional, la dirección de esta corriente, según la ley circuital de Ampère , debería ser de este a oeste. El sol en el este sube y en el oeste baja , de ahí la terminología. ^{[ 17 ]}

• Enchufe polarizado , un enchufe eléctrico no reversible.
• Polaridad del transformador , marcas en el transformador que indican la inductancia mutua de las bobinas.

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