Pilas/Células Combustible (Fuel Cell)

Pila o Célula de combustible (Fuel Cell) se trata de un dispositivo electróquímico que transforma de forma continua la energía química de un combustible (hidrógeno) y oxidante (oxígeno) directamente en energía eléctrica y calor, sin combustión. El proceso eléctrico hace que los átomos de hidrógeno cedan sus electrones. Es parecido a una batería en el sentido de que tiene electrodos, un electrolito y terminales positivos y negativos. Sin embargo no almacena energía en la forma en la que lo hace una pila. Como no existe combustión, las pilas de combustible emiten pocas emisiones; como no tiene componentes móviles, las células de combustible son silenciosas.

En síntesis, las células (pilas) de combustible producen energía eléctrica mediante la combinación de hidrógeno y oxígeno que convierten en agua. De ahí su gran atractivo, pues las células de combustible producen una energía limpia que no daña el medioambiente y silenciosa.

La nanotecnología aporta soluciones y métodos para hacer posible en la práctica las células de combustible (fuel cell). Por ejemplo: Hydrogen Solar ha desarrollado un material nanocristalino que mejora sustancialmente la producción de hidrógeno utilizando energía para descomponer el agua más eficientemente en sus elementos.

En otra versión más divulgativa, hoy se entienden que unas pilas de combustible son pilas eléctricas utilizadas para generar energía eléctrica a partir de la reacción de un número de sustancias químicas, sin necesidad de combustión y sin producir ruido o contaminación.

A diferencia de las tradicionales baterías de litio-ion, éstas pueden producirse en una variedad de formas y son "rellenables", no recargables como las existentes. Además duran días.

Las primeras pilas de combustible serán más grandes, de manera que por ejemplo los móviles que utilicen esta tecnología tendrán un mercado muy lejano al de diseño y moda que predomina hoy .

En una versión más a largo plazo, se podrían utilizar las células / pilas de combustible en aplicaciones estacionales como la generación de electricidad o la calefacción de edificios. También podrían utilizarse para dar energía a coches, autobuses y trenes. Las células de combustibles serían por lo menos dos veces tan eficientes como los motores de gasolina.

Algunos expertos aseguran que las células de combustible se introducirán en los ordenadores portátiles y en los teléfonos móviles antes de que concluya 2005.

Fuente

Bacterias que generan electricidad

El creciente interés por encontrar nuevas fuentes de energía ha llevado a los científicos a fijarse en unos aliados muy peculiares para generar electricidad: las bacterias. Con el mismo concepto que el de las pilas de hidrógeno que se prueba ya en coches, diversos laboratorios intentan desarrollar desde hace unos pocos años otro tipo de células de combustible, en este caso, microbianas.

Se trata de un campo muy novedoso, en el que un equipo de investigadores españoles del Centro de Astrobiología (CAB) y del Instituto de Electroquímica de la Universidad de Alicante, junto a otro argentino de la Universidad de Mar del Plata, han conseguido dar un paso relevante: registrar con técnicas espectroscópicas la transferencia directa de electrones entre una bacteria viva y un electrodo de oro, en un espacio de cinco nanómetros. "Nunca antes se había conseguido visualizar de forma clara este proceso, pues dentro de una célula existen multitud de moléculas y no resulta sencillo saber cuáles son las importantes", detalla Juan Feliu, director del grupo de Electroquímica de Alicante.

Con este experimento, los investigadores consideran demostrado que bacterias como Geobacter generan electricidad por unas proteínas de la superficie celular denominadas citocromos C, como explica otro de los científicos implicados, Abraham Esteve Núñez, bioquímico del CAB, que tuvo la oportunidad de mostrar los resultados del trabajo en el Primer Simposio Internacional sobre Pilas de Combustible Microbianas, celebrado recientemente en Pensilvania (EE UU. Esteve Nuñez trabajaba como postdoctoral en el laboratorio de la Universidad de Massachussetts (EEUU) que, en 2002, descubrió que se podía obtener electricidad de la bacteria Geobacter a partir de su simple contacto con un ánodo, sin recurrir a mediadores químicos.

Entonces se había constatado que este género bacteriano que habita en el subsuelo respira rocas en lugar de compuestos solubles, lo que significa que utiliza óxidos de hierro de la tierra como aceptadores de los electrones para oxidar la materia orgánica. "El grupo de Massachussetts se planteó: ¿Si estas bacterias pueden transferir los electrones a las rocas, porque no comprobamos si esto funciona también en contacto con un sólido como el grafito que conduzca la electricidad?", cuenta este bioquímico. La idea funcionó y desde entonces investigadores de varios países intentan desarrollar una pila de combustible que genere electricidad a partir de la descomposición microbiana de la materia orgánica, como residuos vegetales o aguas residuales.

Así lo intenta, por ejemplo, el investigador François Buret, del Laboratorio Ampère, en la Escuela Central de Lyon, que está haciendo experimentos para generar electricidad con bacterias en una estación depuradora de esta ciudad francesa. Como detallaba este ingeniero en el Salón Europeo de la Investigación e Innovación celebrado recientemente en París, "en el agua que llega a la depuradora está el alimento y sólo hay que esperar que trabajen las bacterias". Su grupo trabaja con distintos modelos de biopilas en la depuradora de algunas decenas de litros y el objetivo es obtener datos con vistas a la adaptación industrial de esta tecnología.

"Tanto la pila de combustible de hidrógeno como la bacteriana se basa en una reacción de oxireducción", especifica Buret, "lo difícil es cómo conseguir que las buenas bacterias se peguen en el sitio adecuado, pues cuando se meten los electrodos en el efluente todavía deben pasar varios días para producir energía".

Aunque hace casi cien años que se describió por primera vez la generación de pequeñas corrientes eléctricas en presencia de microorganismos, no ha sido hasta ahora que ha comenzado a investigarse a fondo en los laboratorios y las pilas microbianas se encuentran todavía en fases muy iniciales. Aún así, como precisa Esteve Nuñez, en menos de cinco años la potencia eléctrica generada con estas biopilas se ha multiplicado por mil.

El mayor desafío ahora es que los ingenieros logren diseñar sistemas más eficientes y los científicos aprendan a sacar el máximo partido a las bacterias electrogénicas mejores.

¿Hasta dónde se puede llegar con las biopilas? "Dadas las altas necesidades energéticas de la sociedad actual, veo difícil el conseguir vivir de la electricidad generada por las bacterias", reconoce Esteve Núñez, que considera que el interés de la tecnología se centra más bien en aprovechar la energía química contenida en los residuos o incluso en la posibilidad de desarrollar biosensores a escala nanométrica que puedan funcionar con electricidad de estos microbios. Él señala que, según estimaciones, con la energía contenida en las aguas residuales las bacterias podrían generar diez veces la electricidad que se necesita para su depuración en las plantas de tratamiento.

De forma esquemática, el sistema de las biopilas es tan simple como dos electrodos (ánodo y cátodo) y un biofilm de bacterias creciendo sobre ellos. "El sistema funciona como una pila de combustible en la que la bacteria hace el trabajo del catalizador", detalla Juan Feliu, director del grupo de Electroquímica de la Universidad de Alicante.

Las pilas bacterianas pueden ser de dos tipos muy diferentes. La primera consiste en una especie de reactor con una cámara anódica (donde se opera la actividad bacteriana) y otra catódica, separadas por una membrana de intercambio catiónico. Ahora bien, la pila de combustible también puede emplazarse en un hábitat natural, para obtener la energía de comunidades bacterianas del propio lugar, que es lo que se denomina célula de combustible sedimentaria. En este caso se puede obtener la electricidad directamente del suelo, como subraya el bioquímico Esteve Nuñez. Él está investigando ahora la generación eléctrica en cultivos de arroz.

Fuente

Nuevo Récord de Eficiencia Para Células Solares

Una investigación conjunta de la Universidad Técnica de Eindhoven y el Instituto Fraunhofer ha logrado una mejora importante de la eficiencia de las células solares. Ello ha sido posible gracias al uso de una capa ultrafina de óxido de aluminio ubicada en la parte frontal de la célula, y hace presagiar grandes avances en el uso práctico de la energía solar.

Una mejora de poco más del 1 por ciento (en términos absolutos) puede parecer a primera vista modesta, pero permitirá que los fabricantes de células solares incrementen de manera importante el rendimiento de sus productos. Ello se debe a que una eficiencia mayor es una forma muy eficaz de reducir el precio del costo de la energía solar. Los costes de aplicar la capa delgada de óxido de aluminio se espera que sean relativamente bajos. Esto significará una reducción sustancial del costo de producir la electricidad solar.

La capa ultrafina de óxido de aluminio, desarrollada por el grupo de investigaciones sobre el plasma y el procesamiento de materiales (PMP, por sus siglas en inglés) de la Universidad Técnica de Eindhoven, puede llevar a una innovación en la tecnología de células solares. Varios de los principales fabricantes de células ya han mostrado su interés.

Durante años, las células solares han sido vistas como un medio muy prometedor para resolver, al menos en parte, el problema de las fuentes de energía contaminantes y no renovables. El Sol nos envía su energía día tras día, y para recogerla basta instalar células solares sobre superficies donde no molesten. La energía solar también ofrece posibilidades para su uso en países en vías de desarrollo, muchos de los cuales tienen altos niveles de insolación. Se espera que dentro de diez a quince años el precio de la electricidad generada por las células solares sea comparable al de la "electricidad convencional" obtenida de los combustibles fósiles. El nuevo desarrollo ahora logrado coloca a la célula solar más cerca de las aplicaciones prácticas de alta eficiencia.

Información adicional en:

• Universidad Técnica de Eindhoven

Estudian bacteria marina que obtiene energía de la luz sin hacer fotosíntesis

Un equipo del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) ha participado en el análisis del genoma de una bacteria marina que es capaz de obtener por sí misma energía de la luz solar sin poner en marcha el complejo mecanismo de la fotosíntesis, además de alimentarse de materia orgánica.

Según ha informado el CSIC, este microorganismo, que posee un metabolismo mixto a medio camino entre las algas y las bacterias, podría servir para desarrollar energías renovables en un futuro.

El microorganismo, aislado en muestras de agua del Mediterráneo, ha sido denominado "Polaribacter", ya que está relacionado con bacterias detectadas anteriormente en muestras de regiones polares.

Esta bacteria puede captar la energía de la luz porque sintetiza una proteína llamada proteorodopsina y un pigmento retinal, similar al de la retina de los seres humanos, según publica el último número de la revista Proceedings de la Academia Nacional de Ciencias estadounidense (PNAS).

Los científicos aseguran que el hallazgo tiene implicaciones sobre el papel que juegan las bacterias marinas en la regulación de la concentración de CO2 en la atmósfera y los mecanismos implicados en el cambio global.

Fotosíntesis artificial

En 1912, el químico italiano Giacomo Ciamician publicaba en la revista Science su nueva idea acerca de una alternativa energética a los combustibles fósiles. Ciamician soñó con futuras centrales energéticas donde "bosques de tubos de vidrio cubrirían llanuras enteras", en el interior de los cuáles la luz del sol serviría para que el hombre aprovechara "el custodiado secreto de las plantas".

Casi un siglo después, el sueño de Ciamician parece estar más cerca que nunca de hacerse realidad. Investigadores de todo el Mundo están desarrollando métodos para obtener energía limpia de una forma sencilla, aprovechando la misma idea que explotan las células vegetales, es decir, transformar la energía solar en energía electroquímica empleando moléculas sensibles a la luz.


La fotosíntesis es un proceso cuya finalidad fue ya intuida por Van Helmont a principios del siglo XVII. Sin embargo, la comprensión de su base molecular, imprescindible para poder ser imitada artificialmente con el fin de obtener energía, sólo ha podido lograrse a lo largo de la segunda mitad del siglo XX.

Los libros de Ciencias Naturales generalmente definen la fotosíntesis como la producción de glucosa a partir de dióxido de carbono atmosférico (CO2) y agua, gracias a la luz solar, según la reacción global:

Sin embargo, esto no es más que una simplificación de un proceso muy complejo, en el cuál la etapa clave es la rotura de una molécula de agua por la luz solar, liberándose oxígeno gaseoso, iones hidrógeno y electrones. Estos últimos servirán para reducir el CO2 hasta glucosa en las etapas siguientes de la fotosíntesis:

Puesto que la molécula de agua es muy estable, esta reacción requiere de una elevada cantidad de energía, que es suministrada por la luz solar y necesita de la presencia de un catalizador adecuado para que tenga lugar. El catalizador que emplean las plantas se llama Fotosistema II, un asombroso colector solar en miniatura de estructura muy compleja y tremendamente eficaz. El Fotosistema II contiene varias moléculas de proteína, que son el armazón del complejo, unas cuantas moléculas de clorofila, que son las encargadas de recolectar la energía solar, y un centro de reacción, que contiene cuatro átomos de manganeso y es el encargado de romper la molécula de agua. Esta increíble máquina molecular se localiza en el interior de las membranas internas de los cloroplastos, orgánulos presentes en las células vegetales.

Los electrones liberados por el proceso de ruptura del agua son transferidos a una cadena de moléculas transportadoras de electrones, a partir de la cuál la planta obtiene el poder reductor que necesita para fabricar glucosa. Mientras, los iones de hidrógeno se acumulan en el interior de la membrana del cloroplasto, lo que permite crear una diferencia de concentración y de potencial eléctrico. A partir de esa diferencia la planta puede producir energía en forma de la unidad básica de energía de los seres vivos: el ATP. En resumen, el Fotosistema II es una máquina que transforma la energía solar en energía electroquímica aprovechable, de una forma mucho más eficaz que cualquier célula solar creada por ingenieros humanos.

La aparición de la fotosíntesis oxigénica, basada en la ruptura del agua usando luz solar, marcó el hito más importante en la historia de la vida, puesto que permitió el desarrollo de organismos mucho más activos, a la vez que produjo la mayor catástrofe ecológica de la historia de la Tierra: la acumulación del oxígeno (material de desecho de la fotosíntesis) en la Atmósfera, que cambiaría la faz de nuestro planeta para siempre.


Los ingenieros copian a la naturaleza

La esencia del proceso de fotosíntesis no consiste sólo en conseguir captar la energía solar. Existen muchos materiales y moléculas que son capaces de excitarse con la luz, pero que son inútiles como medio para obtener energía, ya que la energía solar captada se disipa rápidamente y se transforma en calor, lo que reduce en gran medida la eficacia del proceso de conversión de energía.

La clave reside en conseguir separar las cargas eléctricas formadas gracias a la rotura de la molécula de agua, para poder obtener una diferencia de potencial eléctrico aprovechable. Las plantas lo consiguen gracias a la división en membranas internas del cloroplasto y al perfecto funcionamiento del Fotosistema II, que es capaz de enviar los iones H+ hacia un lado de la membrana y los electrones liberados hacia el otro lado. Si el hombre quiere copiar a la naturaleza, no basta con disponer de una molécula capaz de absorber la luz solar: se debe idear un método para separar las cargas eléctricas liberadas empleando la energía recolectada. Además, sería deseable que el proceso fuera cíclico, de forma que los intermedios originados durante el proceso se regeneren de forma perfecta, para que éste pueda repetirse indefinidamente. De este modo, dispondríamos de un convertidor perfecto de luz solar en energía eléctrica, que funcionaría eternamente, sin necesidad de usar ningún tipo de combustible químico.

Para conseguir este fin, se han propuesto diferentes soluciones, pero los resultados más prometedores no han aparecido hasta los últimos dos o tres años.


Cloroplastos artificiales y otros intentos prometedores

Desde la década de 1970, muchos científicos han intentado construir sistemas artificiales capaces de emular la fotosíntesis. Generalmente, en ellos se sustituye el pigmento natural (la clorofila) por otros compuestos químicos, orgánicos o inorgánicos, capaces de captar la luz. El problema consiste, generalmente, en saber qué hacer con estos electrones liberados (tarea que es realizada en la naturaleza por el Fotosistema II y las membranas del cloroplasto).

En 1981 se fabricó el primer cloroplasto artificial, que contenía una mezcla de compuestos orgánicos sintéticos relacionados con la clorofila y que, al ser iluminado, era capaz de llevar a cabo la reacción de rotura del agua, produciendo H2 y O2 gaseosos. Por supuesto, su tamaño era muchísimo mayor que el de los cloroplastos naturales, y además su eficacia de conversión de energía lumínica en energía química era muy pequeña. Sin embargo, constituyó el primer paso hacia la construcción de un dispositivo fotosintético artificial que funcionara realmente.

En 1998, el equipo de Tom Moore, en la Arizona State University, perfeccionó el método añadiendo una modificación muy interesante. Su cloroplasto artificial estaba formado por una vesícula rodeada de una cubierta similar a las membranas de los cloroplastos naturales. Incluidas en la membrana se encontraban las moléculas captadoras de luz (clorofilas modificadas sintéticamente), y otros compuestos añadidos con el fin de producir una acumulación de iones H+ en el interior de la membrana (exactamente igual que en los cloroplastos naturales). La idea genial fue añadir a la membrana la enzima ATP-sintasa, que está también presente en los cloroplastos naturales y es la responsable de aprovechar la diferencia de concentración de H+ para sintetizar ATP. De este modo, el cloroplasto artificial de Moore se comporta de forma mucho más parecida a los cloroplastos reales, fabricando ATP a partir de energía solar, pero con muchos menos componentes que la cadena fotosintética natural. Moore reconoció que, diez años atrás, él mismo no hubiera podido creer que fuera posible fabricar semejante dispositivo. Hoy en día está investigando sus posibles aplicaciones prácticas.

En 1999, los estadounidenses D. Kuciauskas y J. Lindsey intentaron un método más imaginativo. Unieron químicamente cuatro moléculas de clorofila formando una cadena, a lo largo de la cuál pueden circular los electrones y, al final de la cadena, situaron una bola de fullereno C60, la famosa molécula de carbono con forma de balón de fútbol, cuyos usos imprevistos están resultando ser de lo más variado. Cuando la luz incide sobre el sistema, los electrones emitidos son transportados hasta la bola de fullereno, que queda cargada eléctricamente y mantiene estable su carga. El único paso que falta para poder aprovechar este sistema de forma práctica es encontrar una utilidad para el fullereno cargado así obtenido. Es decir, encontrar una reacción química en la que desprenda la energía que ha almacenado.


Células fotoelectroquímicas. Reinventando la fotosíntesis

Sin embargo, la idea que, en la actualidad, parece ser más susceptible de ser explotada industrialmente se basa en el empleo de células o pilas fotoelectroquímicas, dispositivos similares a las habituales pilas eléctricas y, como ellas, divididas en dos compartimentos (ánodo y cátodo), lo cuál asegura la separación de cargas y la formación de una corriente eléctrica. La diferencia con las pilas corrientes (electroquímicas) está en que las células fotoelectroquímicas sólo funcionan cuando la luz incide sobre ellas, excitando los electrones, con lo cuál la electricidad producida procede de la luz solar, y no de la energía química, como sucede en las pilas habituales. Esto hace pensar que, en principio, una pila fotoelectroquímica sería inagotable.

Para que la célula funcione, es necesario que estén presentes en la disolución dos especies químicas capaces de ceder y aceptar electrones, respectivamente (las llamadas A y B+ en el esquema). Idealmente, para que se cerrara el ciclo, y la pila funcionara eternamente, las especies formadas, A+ y B, deberían reaccionar de forma espontánea entre sí en la disolución, regenerándose las moléculas de A y B+ iniciales. El desafío tecnológico consiste en encontrar las especies químicas A y B+ adecuadas.

En la fotosíntesis natural, la especie que cede electrones (A) es el agua y la que los acepta finalmente (B+), el CO2, pero en la práctica se deberían emplear otras moléculas, ya que el ciclo de regeneración de la glucosa y el oxígeno es increíblemente complicado. En la Naturaleza, las moléculas formadas, de O2 y glucosa, se regeneran mediante el proceso opuesto a la fotosíntesis, es decir, la respiración de los seres vivos, que las vuelve a transformar en CO2 y agua. Se podría considerar toda la Biosfera como una enorme pila fotoelectroquímica de dimensiones gigantescas, en la cuál los cloroplastos serían el ánodo que absorbe la energía solar, las mitocondrias donde se produce la respiración serían el cátodo en el cuál acaban finalmente los electrones, y el conjunto de la atmósfera, la hidrosfera y la biomasa serían la disolución electrolítica en la cuál coexisten las moléculas de agua, CO2, O2 y glucosa. Esta colosal célula fotoelectroquímica global funciona en un ciclo cerrado desde hace miles de millones de años, convirtiendo la energía solar en energía útil, y no parece que dé muestras de agotarse.

El reto de los ingenieros humanos es construir algo parecido, pero que tenga el tamaño de una pila eléctrica habitual. La búsqueda de las moléculas adecuadas para cerrar el ciclo y obtener una célula fotoelectroquímica perfecta continúa activamente en la actualidad, y no sería sorprendente que en un futuro próximo se puedan construir pilas solares inagotables , cuya eficacia de conversión energética sería mayor que las células solares actuales, que están basadas en principios físicos, y no químicos.


Más difícil todavía: fotosíntesis en disoluciones homogéneas

Aunque, como hemos visto, la forma más eficaz de imitar la fotosíntesis es lograr una separación de cargas mediante membranas o diferentes compartimentos, los científicos no se conforman con esto, e intentar diseñar sistemas en los que ocurra un proceso similar a la fotosíntesis, pero en una única fase en disolución.

En ese sentido, A. Heiduk y D. Nocera, investigadores del Instituto Tecnológico de Massachussets, han conseguido recientemente producir H2 a partir de disoluciones de ácido clorhídrico, empleando como catalizador un compuesto orgánico sintético que contiene átomos de rodio como centro activo. Su prometedor resultado fue publicado en la revista Science el 31 de agosto del 2001.

La idea parece increíble. Se trata de una disolución que sólo contiene ácido clorhídrico y el compuesto catalizador, que se puede tener en un simple tubo de ensayo y permanece estable mientras se mantenga en la oscuridad. Pero, en cuanto incide la luz solar sobre el tubo, ¡éste empieza a desprender hidrógeno de forma espontánea! La reacción finaliza cuando ya no queda en el tubo ácido clorhídrico que descomponer, pero, en principio, sería fácil llevarla a cabo en un reactor alimentado continuamente con ácido clorhídrico, y lograr así una forma barata y sencilla de producir hidrógeno industrialmente.

En la práctica, se observa que la regeneración del catalizador de rodio no es perfecta, por lo que habría que añadir nuevo catalizador cada cierto tiempo para mantener la reacción eternamente. La viabilidad económica de la idea no está aún demostrada.

Actualmente se está trabajando para resolver este problema, intentando encontrar nuevos y mejores catalizadores, que sean capaces de conseguir lo que la naturaleza no ha sido capaz de lograr en 3500 millones de años de evolución: la fotosíntesis en una disolución homogénea, contenida en un simple tubo de ensayo. El sueño de Ciamician está cada vez más cerca.

Mecanica Cuantica (Bibliobrafía)

1. Fundamentos de Física Moderna: R. M. Eisberg; (1997) Ed. Limusa S.A. de C.V.- México.

2. Física Cuántica: átomos, moléculas, sólidos, núcleos y partículas: R. Eisberg y R. Resnick;

(2002) Ed. Limusa S.A. de C.V.- México.

3. Introducción a la Mecánica Cuántica: L. de la Peña; (1979) Cia. Ed. Continental - México.

4. Fundamentos Cuánticos y Estadísticos: M. Alonso y E. Finn; (1986) Ed. Addison- Wesley.

5. Física II, R. Serway y J. W. Jewett; (2004) Ed. Thomson – México.

6. Física Moderna, P. Tipler (1989) Ed. Reverté- Barcelona.

7. Conceptos of Física Moderna: A. Beiser; (1970) 5th Ed. McGraw-Hill.

8. Mecánica Cuántica: Feynman, Leighton, Sands (1987) Ed. Addison- Wesley.

¿Qué es el electrón?

El electrón es una partícula subatómica de tipo fermiónico. En un átomo los electrones rodean el núcleo, compuesto únicamente de protones y neutrones.

Los electrones tienen una masa pequeña respecto al protón, y su movimiento genera corriente eléctrica en la mayoría de los metales. Estas partículas desempeñan un papel primordial en la química ya que definen las atracciones con otros átomos.

La existencia del electrón fue postulada por G. Johnstone Stoney, como una unidad de carga en el campo de la electroquímica. El electrón fue descubierto por Joseph John Thomson en 1905 en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, mientras estudiaba el comportamiento de los rayos catódicos. Influenciado por el trabajo de Maxwell y el descubrimiento de los rayos X, dedujo que en el tubo de rayos catódicos existían unas partículas con carga negativa que denominó corpúsculos.

Aunque Stoney había propuesto la existencia del electrón. fue Thomson quien descubrió su carácter de partícula fundamental. Para confirmar la existencia del electrón era necesario medir sus propiedades, en particular su carga eléctrica. Este objetivo fue alcanzado por Millikan en el célebre experimento de la gota de aceite realizado en 1909.

George Paget Thomson, hijo de J.J. Thomson, demostró la naturaleza ondulatoria del electrón al lograr difractar los electrones al atravesar una lámina de metal. Dicho experimento condujo a la aparición de un patrón de interferencia como el que se obtiene en la difracción de ondas como la luz, probando la dualidad onda corpúsculo la mecánica cuántica postulada en 1926 por De Broglie. Este descubrimiento le valió el Premio Nobel de Física de 1937.

El espín del electrón se observó por vez primera en el experimento de Stern y Gerlach. Su carga eléctrica puede medirse directamente con un electrómetro y la corriente generada por su movimiento con un galvanómetro.

Seis años antes de los descubrimientos de Thomson, el físico irlandés Stoney había propuesto la existencia de estas partículas, pero no lo había podido comprobar. Como asumía que la partícula tenía carga eléctrica, la denominó electrón. Posteriormente, otros científicos demostraron experimentalmente que estas partículas o electrones, tienen una masa 2000 veces menor que el átomo de hidrógeno.

El electrón es un tipo de partícula subatómica denominada leptón, que se cree que es una de las partículas fundamentales (es decir, que no puede ser dividida en constituyentes más pequeños) de acuerdo con el modelo estándar de partículas.

Como para cualquier partícula subatómica, la mecánica cuántica predice un comportamiento ondulatorio de los electrones en ciertos casos, el más famoso de los cuales es el experimento de Young de la doble rendija en el que se pueden hacer interferir ondas de electrones. Esta propiedad se denomina dualidad onda corpúsculo.

El electrón tiene una carga eléctrica negativa de −1,6 × 10−19 coulombs y una masa de 9,1 × 10−31 kg (0,51 MeV/c2), que es aproximadamente 1800 veces menor que la masa del protón. El electrón tiene momento angular intrínseco o espín de 1/2 (en unidades de Planck). Dado que el espín es semientero los electrones se comportan como fermiones, es decir, colectivamente son descritos por la estadística de Fermi-Dirac.

Aunque la mayoría de los electrones se encuentran formando parte de los átomos, los hay que se desplazan independientemente por la materia o juntos formando un haz de electrones en el vacío. Cuando los electrones que no forman parte de la estructura del átomo se desplazan y hay un flujo neto de ellos en una dirección, forman una corriente eléctrica.

En algunos superconductores, los electrones que generan la corriente eléctrica se mueven en pareja o pares de Cooper. La electricidad estática no es un flujo de electrones. Es más correcto definirla como "carga estática", y es causada por un cuerpo cuyos átomos tienen más o menos electrones de los necesarios para equilibrar las cargas positivas de los núcleos de sus átomos.

Cuando hay un exceso de electrones, se dice que el cuerpo está cargado negativamente. Cuando hay menos electrones que protones el cuerpo está cargado positivamente. Si el número total de protones y electrones es equivalente, el cuerpo está en un estado eléctricamente neutro.

Los electrones y los positrones pueden aniquilarse mutuamente produciendo un fotón. De manera inversa, un fotón de alta energía puede transformarse en un electrón y un positrón.

El electrón es una partícula elemental, lo que significa que no tiene una subestructura (al menos los experimentos no la han podido encontrar). Por ello suele representarse como un punto, es decir, sin extensión espacial.

Sin embargo, en las cercanías de un electrón pueden medirse variaciones en su masa y su carga. Esto es un efecto común a todas las partículas elementales: la partícula influye en las fluctuaciones del vacío en su vecindad, de forma que las propiedades observadas desde mayor distancia son la suma de las propiedades de la partícula más las causadas por el efecto del vacío que la rodea.

Hay una constante física llamada radio clásico del electrón, con un valor de 2,8179 × 10−15 m. Es preciso tener en cuenta que éste es el radio que se puede inferir a partir de la carga del electrón descrito desde el punto de vista de la electrodinámica clásica, no de la mecánica cuántica. Por lo tanto esta constante se refiere a un concepto desfasado, aunque útil para algunos cálculos.

En la mecánica cuántica, el electrón es descrito por la ecuación de Dirac, mientras que el comportamiento colectivo de los electrones viene descrito por la estadística de Fermi-Dirac. En el modelo estándar de la física de partículas forma un doblete con el neutrino, dado que ambos interaccionan de forma débil. En la naturaleza existen además otros dos "electrones masivos", el muón y el tauón, con propiedades similares al mismo aunque sin embargo son partículas diferentes, que tienen una corta existencia y se desintegran muy rápidamente.

El equivalente al electrón en la antimateria, su antipartícula, es el positrón, que tiene la misma cantidad de carga eléctrica que el electrón pero positiva. El espín y la masa son iguales en el electrón y el positrón. Cuando un electrón y un positrón colisionan, tiene lugar la aniquilación mutua, originándose dos fotones de rayos gamma con una energía de 0,500 MeV cada uno.

Los electrones son un elemento clave en el electromagnetismo, una teoría que es adecuada desde un punto de vista clásico, aplicable a sistemas macroscópicos.