miércoles, 24 de octubre de 2012

ELECTRONICA


Ley de Ohm
Cuando una resistencia es atravesada por una corriente se cumple que:
  • Donde V es la tensión que se mide en voltios (V).
  • Donde I es la intensidad de la corriente que atraviesa la resistencia, y que se mide en Amperios (A).
  • Donde R es la resistencia que se mide en Ohmios (W).
Leyes de Kirchhoff
Ley de Kirchhoff de tensiones
La suma de las caídas de tensiones de todos los componentes de una malla cerrada debe ser igual a cero. 
V2 + V3 + V4 - V1 = 0
Ley de Kirchhoff de corrientes
La suma de corrientes entrantes en un nodo es igual a la suma de corrientes salientes del nodo.
I1 = I2 + I3 + I4
Resistencias
Resistencias en serie
Dos o más resistencias en serie (que les atraviesa la misma intensidad) es equivalente a una única resistencia cuyo valor es igual a la suma de las resistencias.
RT = R1 + R2
Resistencias en paralelo
Cuando tenemos dos o más resistencias en paralelo (que soportan la misma tensión), pueden ser sustituidas por una resistencia equivalente, como se ve en el dibujo:
 el valor de esa resistencia equivalente (RT) lo conseguimos mediante esta expresión:
Generadores
Generadores de Continua
Pueden ser tanto fuentes de corriente como de tensión, y su utilidad es suministrar corriente o tensión, respectivamente de forma continua.
Generador de corriente continua
Generador de tensión continua
Generadores de Alterna
Pueden ser tanto fuentes de corriente como de tensión, y su utilidad es suministrar corrientes o tensiones, respectivamente de forma alterna (por ejemplo: de forma senoidal, de forma triangular, de forma cuadrada., etc....).
Generador de corriente alterna
Generador de tensión alterna
Aparatos de medición.
Voltímetro.
Aparato que mide tensiones eficaces tanto en continua como en alterna, y su colocación es de forma obligatoria en "paralelo" al componente sobre el cual se quiere medir su tensión.
Voltímetro de continua
dc = direct current (corriente directa, corriente de contínua)
Voltímetro de alterna
ac = altern current (corriente alterna)
Errores al medir con voltímetros
Al medir con un voltímetro se comete un pequeño error porque dentro del voltímetro hay un resistencia interna (Rint.), que tiene un valor muy grande (se suele aproximar a infinito).
Amperímetro.
Aparato que mide el valor medio de la corriente, y su colocación es de forma obligatoria en "serie" con el componente del cual se quiere saber la corriente que le atraviesa.
Amperímetro de continua
Amperímetro de alterna
Errores al medir con amperímetros
Como ocurre con el voltímetro, al medir con le amperímetro se comete un error debido a una resistencia interna (Rint.) de valor muy pequeño (se suele aproximar a cero).
Óhmetro
Aparato que mide el valor de las resistencias, y que de forma obligatoria hay que colocar en paralelo al componente estando éste separado del circuito (sin que le atraviese ninguna intensidad). Mide resistencias en Ohmios (W).
Errores al medir con óhmetros
Como se ha visto anteriormente, todo aparato de medición comete un error que a veces se suele despreciar, con los óhmetros ocurre lo mismo, aunque se desprecie ese error hay que tener en cuenta que se suele hacer una pequeña aproximación.




FUENTES DE CORRIENTE:


Fuente de corriente ideal
No existe, es ideal como en el anterior caso de la fuente de tensión ideal..
Fuente de corriente real
Son las fuentes que existen en la realidad.
Veamos que ocurre con los diferentes valores de RL.
Con esto vemos que una fuente de corriente funciona mejor cuando su resistencia interna es muy alta, mientras que una fuente de tensión funciona mejor cuando su resistencia interna es muy baja. La intensidad de carga tiene esta forma:
Fuente de corriente (aproximadamente) constante
Solo se pierde el 1 % en el peor caso. Con esto nos aproximamos a la fuente de corriente ideal. Veamos 2 valores diferentes de RL.
Resumen
  • Fuente de corriente ideal es la que tiene una Rint = 8 y produce en la salida una IL = cte.
  • Fuente de corriente real es la que tiene una determinada Rint. En esta hay pérdida de corriente. El resto de la corriente va a la carga que es la que se aprovecha.
  • Fuente de corriente constante es la que tiene una Rint >= 100RL. La corriente que se pierde por la Rint es como mucho el 1 %, aproximadamente a la ideal, que es el 0 %.
Si tenemos que comparar 2 fuentes de corriente, la mejor será la que tenga una Rint más grande (o sea la más parecida a la ideal, que tiene una Rint = 8).


SEMICONDUCTORES:


Antes de ver el funcionamiento de Diodos, Transistores y circuitos integrados, estudiaremos los materiales Semiconductores. Estos, que no son ni conductores ni aislantes, tienen electrones libres, pero lo que les caracteriza especialmente son los huecos.
En este tema, veremos los conceptos y propiedades más importantes de los Semiconductores.
Los objetivos de este tema son:
  • Conocer las características de los semiconductores y conductores a nivel atómico.
  • Ser capaz de describir la estructura de un cristal de Silicio.
  • Saber cuales son y como se comportan los dos tipos de portadores y sus impurezas.
  • Ser capaz de explicar las condiciones que se dan en la unión pn sin polarizar, polarizada en directa y polarizada en inversa.
  • Conocer los dos tipos de corrientes de ruptura provocados por la aplicación sobre un diodo de gran voltaje en inversa.


    CONDUCTORES:

    Un conductor es un material que, en mayor o menor medida, conduce el calor y la electricidad. Son buenos conductores los metales y malos, el vidrio, la madera, la lana y el aire.
    NOTA: Definimos la unidad de carga +1 como +1,6·10-19 culombios. Así un electrón tiene una carga -1 equivalente a -1,6·10-19 culombios.
    El conductor más utilizado y el que ahora analizaremos es el Cobre (valencia 1), que es un buen conductor. Su estructura atómica la vemos en la siguiente figura.
    Su número atómico es 29. Esto significa que en el núcleo hay 29 protones (cargas positivas) y girando alrededor de él hay 29 electrones girando en diferentes órbitas.
    En cada órbita caben 2n2 siendo n un número entero n = 1, 2, 3, ... Así en la primera órbita (n = 1) caben 212 = 2 electrones. En la segunda órbita 2·22 = 8 electrones. En la tercera órbita 2·32= 18 electrones. Y la cuarta órbita solo tiene 1 electrón aunque en ella caben 2·42 = 32 electrones.
    Lo que  interesa en electrónica es la órbita exterior, que es la que determina las propiedades del átomo. Como hay + 29 y - 28, queda con + 1.
    Por ello vamos a agrupar el núcleo y las órbitas internas, y le llamaremos parte interna. En el átomo de cobre la parte interna es el núcleo (+ 29) y las tres primeras órbitas (- 28), con lo que nos queda la parte interna con una carga neta de +1.
    Como el electrón de valencia es atraído muy débilmente por la parte interna, una fuerza externa puede liberarlo fácilmente, por eso es un buen Conductor. Nos referiremos a ese electrón de valencia, como electrón libre.
    Lo que define a un buen conductor es el hecho de tener un solo electrón en la órbita de valencia (valencia 1).
    Así, tenemos que:
    • A 0 ºK (-273 ºC) un metal no conduce.
    • A Temperatura ambiente 300 ºK ya hay electrones libres debidos a la energía térmica.
    - Si tenemos un campo eléctrico aplicado los electrones libres se mueven en todas direcciones. Como el movimiento es al azar, es posible que muchos electrones pasen por unidad de área en una determinada dirección y a la vez en la dirección opuesta. Por lo tanto la corriente media es cero.
    - Veamos ahora como cambia la situación, si se aplica al metal un campo eléctrico.
    Los electrones libres se mueven ahora en una dirección concreta. Y por lo tanto ya hay carga (en culombios) que cruza la sección del metal en un segundo, o sea ya existe una corriente.
    Como ya conocemos, el electrón tiene una carga negativa (-1,619-19 culombios) y por tanto el convenio tomado para definir la corriente (contrario al movimiento de las cargas negativas) nos indica que la corriente toma el sentido indicado en la figura.
    El electrón se mueve dentro de la red cristalina del metal con una velocidad media.
    La resistencia que opone la barra de metal al paso de la corriente la podemos calcular de la siguiente forma:

    CRISTALES DE SILICIO

    Al combinarse los átomos de Silicio para formar un sólido, lo hacen formando una estructura ordenada llamada cristal. Esto se debe a los "Enlaces Covalentes", que son las uniones entre átomos que se hacen compartiendo electrones adyacentes de tal forma que se crea un equilibrio de fuerzas que mantiene unidos los átomos de Silicio.
    Vamos a representar un cristal de silicio de la siguiente forma:
    Cada átomo de silicio comparte sus 4 electrones de valencia con los átomos vecinos, de tal manera que tiene 8 electrones en la órbita de valencia, como se ve en la figura.
    La fuerza del enlace covalente es tan grande porque son 8 los electrones que quedan ( aunque sean compartidos ) con cada átomo, gracias a esta característica los enlaces covalentes son de una gran solidez.
    Los 8 electrones de valencia se llaman electrones ligados por estar fuertemente unidos en los átomos.
    El aumento de la temperatura hace que los átomos en un cristal de silicio vibren dentro de él, a mayor temperatura mayor será la vibración. Con lo que un electrón se puede liberar de su órbita, lo que deja un hueco, que a su vez atraerá otro electrón, etc...
    A 0 ºK, todos los electrones son ligados. A 300 ºK o más, aparecen electrones libres.
    Esta unión de un electrón libre y un hueco se llama "recombinación", y el tiempo entre la creación y desaparición de un electrón libre se denomina "tiempo de vida".
    Enlace covalente roto: Es cuando tenemos un hueco, esto es una generación de pares electrón libre-hueco.
    Según un convenio ampliamente aceptado tomaremos la dirección de la corriente como contraria a la dirección de los electrones libres.
    En este applet podemos ver mediante una animación el comportamiento de los electrones en un cristal de silicio.

    Los electrones libres (electrones) se mueven hacia la izquierda ocupando el lugar del hueco.
    Carga del electrón libre = -1.6x10-19 Culombios.Los electrones ligados (huecos) se mueven hacia la derecha.
    Carga de electrón ligado = +1.6x10-19 Culombios.
    Semiconductores: Conducen los electrones (electrones libres) y los huecos (electrones ligados).
    Conductores: Conducen los electrones libres.
    Resumiendo: Dentro de un cristal en todo momento ocurre esto:
    • Por la energía térmica se están creando electrones libres y huecos.
    • Se recombinan otros electrones libres y huecos.
    • Quedan algunos electrones libres y huecos en un estado intermedio, en el que han sido creados y todavía no se han recombinado.

    SEMICONDUCTORES INTRINSECOS:



    Es un semiconductor puro. A temperatura ambiente se comporta como un aislante porque solo tiene unos pocos electrones libres y huecos debidos a la energía térmica.
    En un semiconductor intrínseco también hay flujos de electrones y huecos, aunque la corriente total resultante sea cero. Esto se debe a que por acción de la energía térmica se producen los electrones libres y los huecos por pares, por lo tanto hay tantos electrones libres como huecos con lo que la corriente total es cero.
    La tensión aplicada en la figura forzará a los electrones libres a circular hacia la derecha (del terminal negativo de la pila al positivo) y a los huecos hacia la izquierda.
    En este applet podemos ver mediante una animación en que dirección se mueven los electrones y los huecos en un semiconductor intrínseco.
    Cuando los electrones libres llegan la extremo derecho del cristal, entran al conductor externo (normalmente un hilo de cobre) y circulan hacia el terminal positivo de la batería. Por otro lado, los electrones libres en el terminal negativo de la batería fluirían hacia el extremos izquierdo del cristal. Así entran en el cristal y se recombinan con los huecos que llegan al extremo izquierdo del cristal. Se produce un flujo estable de electrones libres y huecos dentro del semiconductor.

    SEMICONDUCTORES EXTRINSECOS:


    Son los semiconductores que están dopados, esto es que tienen impurezas. Hay 2 tipos dependiendo de que tipo de impurezas tengan:
    Semiconductor tipo n
    Es el que está impurificado con impurezas "Donadoras", que son impurezas pentavalentes. Como los electrones superan a los huecos en un semiconductor tipo n, reciben el nombre de "portadores mayoritarios", mientras que a los huecos se les denomina "portadores minoritarios".
    Al aplicar una tensión al semiconductor de la figura, los electrones libres dentro del semiconductor se mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen hacia la derecha. Cuando un hueco llega al extremo derecho del cristal, uno de los electrones del circuito externo entra al semiconductor y se recombina con el hueco.
    Los electrones libres de la figura circulan hacia el extremo izquierdo del cristal, donde entran al conductor y fluyen hacia el positivo de la batería.
    Semiconductor tipo p
    Es el que está impurificado con impurezas "Aceptoras", que son impurezas trivalentes. Como el número de huecos supera el número de electrones libres, los huecos son los portadores mayoritarios y los electrones libres son los minoritarios.
    Al aplicarse una tensión, los electrones libres se mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen hacia la derecha. En la figura, los huecos que llegan al extremo derecho del cristal se recombinan con los electrones libres del circuito externo.
    En el circuito hay también un flujo de portadores minoritarios. Los electrones libres dentro del semiconductor circulan de derecha a izquierda. Como hay muy pocos portadores minoritarios, su efecto es casi despreciable en este circuito.

    DIOSO NO POLARIZADO:


    Los semiconductores tipo p y tipo n separados no tienen mucha utilidad, pero si un cristal se dopa de tal forma que una mitad sea tipo n y la otra mitad de tipo p, esa unión pn tiene unas propiedades muy útiles y entre otras cosas forman los "Diodos".
    El átomo pentavalente en un cristal de silicio (Si) produce un electrón libre y se puede representar como un signo "+" encerrado en un circulo y con un punto relleno (que sería el electrón) al lado.
    El átomo trivalente sería un signo "-" encerrado en un circulo y con un punto sin rellenar al lado (que simbolizaría un hueco).
    Entonces la representación de un SC tipo n sería:
    Y la de un SC tipo p:
    La unión de las regiones p y n será:
    Al juntar las regiones tipo p y tipo n se crea un "Diodo de unión" o "Unión pn".
    Zona de deplexión
    Al haber una repulsión mutua, los electrones libres en el lado n se dispersan en cualquier dirección. Algunos electrones libres se difunden y atraviesan la unión, cuando un electrón libre entra en la región p se convierte en un portador minoritario y el electrón cae en un hueco, el hueco desaparece y el electrón libre se convierte en electrón de valencia. Cuando un electrón se difunde a través de la unión crea un par de iones, en el lado n con carga positiva y en el p con carga negativa.
    Las parejas de iones positivo y negativo se llaman dipolos, al aumentar los dipolos la región cerca de la unión se vacía de portadores y se crea la llamada "Zona de deplexión".
    Barrera de potencial
    Los dipolos tienen un campo eléctrico entre los iones positivo y negativo, y al entrar los electrones libres en la zona de deplexión, el campo eléctrico trata de devolverlos a la zona n. La intensidad del campo eléctrico aumenta con cada electrón que cruza hasta llegar al equilibrio.
    El campo eléctrico entre los iones es equivalente a una diferencia de potencial llamada "Barrera de Potencial" que a 25 ºC vale:
    • 0.3 V para diodos de Ge.
    • 0.7 V para diodos de Si.
    Polarizar: Poner una pila.
    No polarizado: No tiene pila, circuito abierto o en vacío.
    z.c.e.: Zona de Carga Espacial o zona de deplexión (W).

    POLARIZACION DIRECTA:

    Si el terminal positivo de la fuente está conectado al material tipo p y el terminal negativo de la fuente está conectado al material tipo n, diremos que estamos en "Polarización Directa".
    La conexión en polarización directa tendría esta forma:
    En este caso tenemos una corriente que circula con facilidad, debido a que la fuente obliga a que los electrones libres y huecos fluyan hacia la unión. Al moverse los electrones libres hacia la unión, se crean iones positivos en el extremo derecho de la unión que atraerán a los electrones hacia el cristal desde el circuito externo.
    Así los electrones libres pueden abandonar el terminal negativo de la fuente y fluir hacia el extremo derecho del cristal. El sentido de la corriente lo tomaremos siempre contrario al del electrón.
    Lo que le sucede al electrón: Tras abandonar el terminal negativo de la fuente entra por el extremo derecho del cristal. Se desplaza a través de la zona n como electrón libre.
    En la unión se recombina con un hueco y se convierte en electrón de valencia. Se desplaza a través de la zona p como electrón de valencia. Tras abandonar el extremo izquierdo del cristal fluye al terminal positivo de la fuente.


    POLARIZACION INVERSA:

    Se invierte la polaridad de la fuente de continua, el diodo se polariza en inversa, el terminal negativo de la batería conectado al lado p y el positivo al  n, esta conexión se denomina "Polarización Inversa".
    En la siguiente figura se muestra una conexión en inversa:
    El terminal negativo de la batería atrae a los huecos y el terminal positivo atrae a los electrones libres, así los huecos y los electrones libres se alejan de la unión y la z.c.e. se ensancha.
    A mayor anchura de la z.c.e. mayor diferencia de potencial, la zona de deplexión deja de aumentar cuando su diferencia de potencial es igual a la tensión inversa aplicada (V), entonces los electrones y huecos dejan de alejarse de la unión.
    A mayor la tensión inversa aplicada mayor será la z.c.e.
    Existe una pequeña corriente en polarización inversa, porque la energía térmica crea continuamente pares electrón-hueco, lo que hace que halla pequeñas concentraciones de portadores minoritarios a ambos lados, la mayor parte se recombina con los mayoritarios pero los que están en la z.c.e. pueden vivir lo suficiente para cruzar la unión y tenemos así una pequeña corriente.
    La zona de deplexión empuja a los electrones hacia la derecha y el hueco a la izquierda, se crea así una la "Corriente Inversa de Saturación"(IS) que depende de la temperatura.
    Además hay otra corriente "Corriente Superficial de Fugas" causada por las impurezas del cristal y las imperfecciones en su estructura interna. Esta corriente depende de la tensión de la pila (V ó VP).
    Entonces la corriente en inversa (I ó IR) será la suma de esas dos corrientes:

    NIVELES Y BANDAS DE ENERGIA:

    Las ideas y los conceptos vistos anteriormente los analizaremos ahora desde un punto de vista energético.
    Hablar de Radios y de Energías es lo mismo. Cuanto mayor sea el radio mayor será también la energía.
     Existen diversas maneras de darle energía a un electrón, por:
    • Energía Térmica.
    • Energía Luminosa (fotón E = h x f).
    • Campo Eléctrico.
    • etc...
    Si se le da energía a un electrón para que pase de E1 a E2, este electrón puede pasar de una orbita a otra.
    Ese electrón vuelve enseguida, al volver tiene que ceder o soltar la energía. Puede hacerlo de 2 formas:
    • Al volver sale un fotón de luz:
    E2 - E1 = h x f
            Una aplicación de esta característica se ve en los Diodos Led, que dependiendo de las energías tendrán diferentes colores, y también pueden soltar fotones invisibles a frecuencias en las que la vista no puede captarlas.
    • También se suelta energía en forma de calor, energía térmica (calentamiento del diodo).
     Las energías las representaremos gráficamente de esta manera:
    Hasta ahora hemos visto un átomo aislado, pero en un cristal tenemos que aplicar el "Principio de Exclusión de Pauli":
    "En un sistema electrónico no puede haber 2 electrones con los mismos números cuánticos".
    Esto es, que no puede haber 2 electrones con la misma energía.
    Bandas de Energía en un Semiconductor Intrínseco
    Anteriormente hemos visto que los semiconductores intrínsecos eran aquellos que no tenían impurezas, esto es, todos son átomos de Si.
    Al aplicar el principio de exclusión de Pauli el electrón de energía E1 de un átomo y el electrón de energía E1 del átomo vecino se han de separar en energía. Como hay una gran cantidad de átomos aparecen muchos niveles energéticos con una separación muy pequeña, formando la 1ª Banda de Energía.
    Los electrones de energía E2 se separan en energía formando la 2ª Banda de Energía.
    Y así sucesivamente con el resto de energías se van creando Bandas de Energía (grupos de niveles energéticos). El resultado es el siguiente:
    Como es difícil sacar un electrón de las bandas inferiores, no nos interesan las 2 bandas inferiores, no las tendremos en cuenta, así tendríamos:
    Estas 2 bandas son las creadas por los 4 electrones de la última órbita del átomo.
    A 0 ºK los 4 electrones de cada átomo están en la Banda de Valencia (cada uno en un radio o energía permitido).
    BC = Banda de Conducción
    BV = Banda de Valencia
    A 300 ºK (27 ºC, temperatura ambiente) o a mayor temperatura, algún electrón puede conseguir suficiente energía como para pasar a la Banda de Conducción, dejando así un hueco en la Banda de Valencia.
    Recordar que a esto le llamábamos Generación Térmica de Pares electrón libre-hueco. Cuanto más aumente la temperatura, más electrones suben debido a la generación térmica.
    Por eso un semiconductor a 0 ºK no conduce y si aumenta la temperatura conduce más. Ahora veremos que es lo que ocurre con los semiconductores con impurezas.
    Bandas de Energía en un Semiconductor tipo n
    Tenemos muy pocos átomos de impurezas (+5) en comparación con los átomos normales de Silicio (+4).
    Como se impurifica muy poco, los átomos de +5 están muy alejados y no se influyen entre si, pudiendo tener electrones de átomos diferentes la misma energía y por lo tanto están todos al mismo nivel. Esa energía que tienen se llama "Energía del átomo Donador" (ED).
    En cuanto se le de una pequeña energía los electrones suben a la BC y se convierten en libres.
    También se da la generación térmica (generación de pares hueco-electrón), pero lo que más ocurre es debido a las impurezas y muy poco por generación térmica, por lo que despreciaremos esta última.
    Bandas de Energía en un Semiconductor tipo p
    En este caso las impurezas son átomos de +3, y como en el caso anterior hay muy pocos y están muy alejados por lo que los electrones de átomos diferentes están al mismo nivel energético. Esa energía es la "Energía del átomo Aceptor" (EA).
    A 300 ºK o más, el electrón cercano a EA sube desde la BV y deja un hueco en la BV mientras que la EA se llena de electrones. Se sigue dando generación térmica también, pero como antes es despreciable.




    La electrónica se encarga de controlar la circulación 
    de los electrones de forma minuciosa. Se encarga 
    de que pasen en mayor o menor cantidad con 
    dispositivos pasivos y activos. 
    Los dispositivos pasivos son: Resistencias, 
    condensadores y bobinas.  
    Los dispositivos activos son diodos, transistores y 
    circuitos integrados (semiconductores). 
    Las bobinas y los circuitos integrados no los 
    estudiaremos en esta unidad. 
    2.- La resistencia. 
    Con el objeto de producir caídas de tensión en 
    puntos determinados y limitar la corriente que pasa 
    por diversos puntos se fabrican elementos 
    resistivos de los que se conoce su valor Óhmico. 
    Estos elementos se conocen como resistencias. 
    Se caracterizan por su: 
    -  Valor nominal: es el valor marcado sobre 
    el cuerpo del resistor. 
    -  Tolerancia: porcentaje en más o menos, 
    sobre el valor nominal, que el fabricante 
    respeta en todos los resistores fabricados. 
    -  Coeficiente de temperatura: la resistencia 
    varía con la temperatura. Esta variación se 
    puede calcular en función del coeficiente de 
    temperatura: 
    RT = R0 (1 +αT)

    Potencia nominal: potencia que puede 
    disipar el resistor en condiciones 
    ambientales de 20 a 25ºC. Cuanto mayor 
    es la potencia mayor será el tamaño del 
    resistor. 
    -  Tensión límite nominal: es la máxima 
    tensión que puede soportar, en extremos, 
    el resistor. 
    Existen tres tipos de resistencias, fijas, variables y 
    dependientes. 
    Resistencias fijas, se caracterizan por mantener 
    un valor óhmico fijo, para potencias inferiores a 2 W 
    suelen ser de carbón o de película metálica. 
    Mientras que para potencias mayores se utilizan las 
    bobinadas. 
    Resistencias fijas
    Los valores de las mismas están normalizados en 
    series y generalmente la forma de indicarlo sobre el 
    cuerpo es mediante un código de colores, en las 
    resistencias bobinadas se escribe el valor 
    directamente.





    CIRCUITO ELÉCTRICO.




    El circuito eléctrico elemental.
    Un circuito eléctrico es un conjunto de elementos que unidos de forma adecuada permiten el paso de electrones.
    Está compuesto por:
    • GENERADOR o ACUMULADOR.

    • HILO CONDUCTOR.

    • RECEPTOR o CONSUMIDOR.

    • ELEMENTO DE MANIOBRA.
    El sentido real de la corriente va del polo negativo al positivo. Sin embargo, en los primeros estudios se consideró al revés, por ello cuando resolvamos problemas siempre consideraremos que el sentido de la corriente eléctrica irá del polo positivo al negativo
    Generador o acumulador.
    Son aquellos elementos capaces de mantener una diferencia de potencial entre los extremos de un conductor.
    Generadores primarios: tienen un sólo uso: pilas.
    Generadores secundarios: pueden ser recargados: baterías o acumuladores.
    Hilo Conductor
    Formado por un MATERIAL CONDUCTOR, que es aquel que opone poca resistencia la paso de la corriente eléctrica.
    Receptores
    Son aquellos elementos capaces de aprovechar el paso de la corriente eléctrica: motores, resistencias, bombillas…
    Elementos de maniobra.Son dispositivos que nos permiten abrir o cerrar el circuito cuando lo necesitamos.
    Pulsador: Permite abrir o cerrar el circuito sólo mientras lo mantenemos pulsado
    Interruptor: Permite abrir o cerrar un circuito y que este permanezca en la misma posición hasta que volvamos a actuar sobre él.
    Conmutador: Permite abrir o cerrar un circuito desde distintos puntos del circuito. Un tipo especial es el conmutador de cruce que permite invertir la polaridad del circuito, lo usamos para invertir el giro de motores
    ELEMENTOS DE PROTECCIÓN
    Son dispositivos que protegen el circuito de sobrecargas de tensión y al operario de posibles accidentes.
    FusibleFormado por un hilo de cobre, colocado en serie en el circuito, que se funde si hay sobrecarga, abriendo el circuito. Impide que pueda quemarse algún componente.
    AutomáticosAbren el circuito cuando la intensidad de corriente aumenta.
    Magnéticos: si hay exceso de corriente en el circuito se produce la atracción de una bobina magnética y se abre el circuito Magnetotérmicos: si hay exceso de corriente se produce un calentamiento de una pastilla formada por dos metales con distinto coeficiente de dilatación, así uno dilata más que el otro. La pastilla se curva y el circuito se abre.
    DiferencialesDetectan variaciones mínimas de intensidad dentro del circuito debidas a derivaciones y abren el circuito.





    EL CIRCUITO ELÉCTRICO

    1.- El circuito eléctrico elemental.
    El circuito eléctrico es el recorrido preestablecido por por el que se desplazan las cargas eléctricas.
    Circuito elemental
    Las cargas eléctrica que constituyen una corriente eléctrica pasan de un punto que tiene mayor potencial eléctrico a otro que tiene un potencial inferior. Para mantener permanentemente esa diferencia de potencial, llamada también voltaje otensión entre los extremos de un conductor, se necesita un dispositivo llamado generador (pilas, baterías, dinamos, alternadores...) que tome las cargas que llegan a un extremo y las impulse hasta el otro. El flujo de cargas eléctricas por un conductor constituye una corriente eléctrica.
    Si quieres ver los componentes de un circuito eléctrico elemental pincha aquí.

    Se distinguen dos tipos de corrientes:
    Corriente continua: Es aquella corriente en donde los electrones circulan en la misma cantidad y sentido, es decir, que fluye en una misma dirección. Su polaridad es invariable y hace que fluya una corriente de amplitud relativamente constante a través de una carga. A este tipo de corriente se le conoce como corriente continua (cc) o corriente directa (cd), y es generada por una pila o batería.
    Este tipo de corriente es muy utilizada en los aparatos electrónicos portátiles que requieren de un voltaje relativamente pequeño. Generalmente estos aparatos no pueden tener cambios de polaridad, ya que puede acarrear daños irreversibles en el equipo.
    Corriente alterna: La corriente alterna es aquella que circula durante un tiempo en un sentido y después en sentido opuesto, volviéndose a repetir el mismo proceso en forma constante. Su polaridad se invierte periódicamente, haciendo que la corriente fluya alternativamente en una dirección y luego en la otra. Se conoce en castellano por la abreviación CA y en inglés por la de AC.
    Este tipo de corriente es la que nos llega a nuestras casas y sin ella no podríamos utilizar nuestros artefactos eléctricos y no tendríamos iluminación en nuestros hogares. Este tipo de corriente puede ser generada por un alternador o dinamo, la cual convierten energía mecánica en eléctrica.
    El mecanismo que lo constituye es un elemento giratorio llamado rotor, accionado por una turbina el cual al girar en el interior de un campo magnético (masa), induce en sus terminales de salida un determinado voltaje. A este tipo de corriente se le conoce como corriente alterna (a).
    Pilas y baterías:
     Las pilas y las baterías son un tipo de generadores que se utilizan como fuentes de electricidad.
    Las baterías, por medio de una reacción química producen, en su terminal negativo, una gran cantidad de electrones (que tienen carga negativa) y en su terminal positivo se produce una gran ausencia de electrones (lo que causa que este terminal sea de carga positiva).
    Ahora si esta batería alimenta un circuito cualquiera, hará que por éste circule una corriente de electrones que saldrán del terminal negativo de la batería, (debido a que éstos se repelen entre si y repelen también a los electrones libres que hay en el conductor de cobre), y se dirijan al terminal positivo donde hay un carencia de electrones, pasando a través del circuito al que está conectado. De esta manera se produce la corriente eléctrica.
    Fuerza electromotriz de un generador:
    Se denomina fuerza electromotriz (FEM) a la energía proveniente de cualquier fuente, medio o dispositivo que suministre corriente eléctrica. Para ello se necesita la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos o polos (uno negativo y el otro positivo) de dicha fuente, que sea capaz de bombear o impulsar las cargas eléctricas a través de un circuito cerrado.
    A. Circuito eléctrico abierto (sin  carga o resistencia). Por tanto, no se establece la circulación de la corriente eléctrica desde la fuente de FEM (la batería en este caso). B. Circuito eléctrico cerrado, con una carga o resistencia acoplada, a través de la cual se establece la circulación de un flujo de corriente eléctrica desde el polo negativo hacia el polo positivo de la fuente de FEM o batería.
    Resumiendo, un generador se caracteriza por su fuerza electromotriz, fem, que es la energía que proporciona a la unidad de carga que circula por el conductor.
    Fuerza electromotriz = energía/Carga                   fem= E/Q
    La unidad de fuerza electromotriz en el SI es el voltio (V): 1 voltio = 1 julio / 1 culombio
    Voltímetro:
    La ddp y la fem se pueden medir conectando un voltímetro entre dos puntos de un circuito o entre los terminales de un generador. El voltímetro siempre se conecta en paralelo. La escala de un voltímetro viene expresada en voltios.
    Para efectuar la medida de la diferencia de potencial el voltímetro ha de colocarse en paralelo, esto es, en derivación sobre los puntos entre los que tratamos de efectuar la medida. Esto nos lleva a que el voltímetro debe poseer una resistencia interna lo más alta posible, a fin de que no produzca un consumo apreciable, lo que daría lugar a una medida errónea de la tensión. Para ello, en el caso de instrumentos basados en los efectos electromagnéticos de la corriente eléctrica, estarán dotados de bobinas de hilo muy fino y con muchas espiras, con lo que con poca intensidad de corriente a través del aparato se consigue la fuerza necesaria para el desplazamiento de la aguja indicadora.

    En la actualidad existen dispositivos digitales que realizan la función del voltímetro presentando unas características de aislamiento bastante elevadas empleando complejos circuitos de aislamiento.En la Figura  se puede observar la conexión de un voltímetro (V) entre los puntos de a y b de un circuito, entre los que queremos medir su diferencia de potencial.
    En algunos casos, para permitir la medida de tensiones superiores a las que soportarían los devanados y órganos mecánicos del aparato o los circuitos electrónicos en el caso de los digitales, se les dota de una resistencia de elevado valor colocada en serie con el voltímetro, de forma que solo le someta a una fracción de la tensión total.
    Conexión de un voltímetro en un circuito
    Asociación de pilas:

    Asociación De Pilas En Serie 

    Las pilas pueden conectarse en serie cualesquiera que sean las fuerzas electromotrices y la máxima corriente que cada una de ellas pueda suministrar. Evidentemente, al conectarlas en serie, las fuerzas electromotrices se suman, así como sus resistencias internas. Se puede notar que la pila equivalente al conjunto de las n pilas resulta con una f.e.m. mayor, pero, con una resistencia interna mayor, lo cual empeora la situación en este punto. Se debe considerar, además, la corriente máxima que puede suministrar cada una de ellas. La asociación serie sólo podrá suministrar la corriente de la pila que menos corriente es capaz suministrar.

    pilas en serie

    Asociación De Pilas En Paralelo 

    Al conectar pilas en paralelo debe tenerse en cuenta que sean todas de la misma f.e.m., ya que, en caso contrario, fluiría corriente de la de más f.e.m. a la de menos, disipándose potencia en forma de calor en las resistencias internas, agotándolas rápidamente. Si todas ellas son del mismo voltaje el conjunto equivale a una sola pila de la misma tensión, pero con menor resistencia interna. Además, la corriente total que puede suministrar el conjunto es la suma de las corrientes de cada una de ellas, por concurrir en un nudo. La asociación en paralelo por tanto, podrá dar más corriente que una sola pila, o, dando la misma corriente, tardará más en descargarse.
    pilas en paralelo
    Si deseas obtener más información sobre la asociación de pilas pincha aquí.





    2.- Intensidad de corriente.
    La intensidad del flujo de los electrones de una corriente eléctrica que circula por un circuito cerrado depende fundamentalmente de la tensión o voltaje (V) que se aplique y de la resistencia (R) en ohm que ofrezca al paso de esa corriente la carga o consumidor conectado al circuito. Si una carga ofrece poca resistencia al paso de la corriente, la cantidad de electrones que circulen por el circuito será mayor en comparación con otra carga que ofrezca mayor resistencia y obstaculice más el paso de los electrones.
    Por tanto, definimos la intensidad de corriente eléctrica, I, como la cantidad de carga eléctrica que circula por una sección de un conductor en la unidad de tiempo.
    Intensidad = carga/tiempo   I= Q/t
    Analogía hidráulica. El tubo del depósito "A", al tener un diámetro reducido, ofrece más resistencia a la salida del líquido que el tubo del tanque "B", que tiene mayor diámetro. Por tanto, el caudal o cantidad de agua que sale por el tubo "B" será mayor que la que sale por el tubo "A".
    Mediante la representación de una analogía hidráulica se puede entender mejor este concepto. Si tenemos dos depósitos de líquido de igual capacidad, situados a una misma altura, el caudal de salida de líquido del depósito que tiene el tubo de salida de menos diámetro será menor que el caudal que proporciona otro depósito con un tubo de salida de más ancho o diámetro, pues este último ofrece menos resistencia a la salida del líquido.

    De la misma forma, una carga o consumidor que posea una resistencia de un valor alto en ohm, provocará que la circulación de los electrones se dificulte igual que lo hace el tubo de menor diámetro en la analogía hidráulica, mientras que otro consumidor con menor resistencia (caso del tubo de mayor diámetro) dejará pasar mayor cantidad de electrones. La diferencia en la cantidad de líquido que sale por los tubos de los dos tanques del ejemplo, se asemeja a la mayor o menor cantidad de electrones que pueden circular por un circuito eléctrico cuando se encuentra con la resistencia que ofrece la carga o consumidor.

    La intensidad de la corriente eléctrica se designa con la letra ( I ) y su unidad de medida en el Sistema Internacional ( SI ) es el amper (llamado también “amperio”), que se identifica con la letra ( A ).

    EL AMPER

    De acuerdo con la Ley de Ohm, la corriente eléctrica en amper ( A ) que circula por un circuito está estrechamente relacionada con el voltaje o tensión ( V ) y la resistencia en ohm () de la carga o consumidor conectado al circuito.

    Definición del amper

    Un amper ( 1 A ) se define como la corriente que produce una tensión de un volt ( 1 V ), cuando se aplica a una resistencia de un ohm ( 1  ).

    Un amper equivale una carga eléctrica de un coulomb por segundo ( 1C/seg ) circulando por un circuito eléctrico, o lo que es igual, 6 300 000 000 000 000 000 = ( 6,3 · 1017 ) (seis mil trescientos billones) de electrones por segundo fluyendo por el conductor de dicho circuito. Por tanto, la intensidad ( I ) de una corriente eléctrica equivale a la cantidad de carga eléctrica ( Q ) en coulomb que fluye por un circuito cerrado en una unidad de tiempo.

    Los submúltiplos más utilizados del amper son los siguientes:

    miliamper ( mA ) = 10-3 A = 0,001 amper
    microamper ( mA ) = 10-6 A = 0, 000 000 1 amper
    El amperímetro:
    La medición de la corriente que fluye por un circuito cerrado se realiza por medio de un amperímetro o un miliamperímetro, según sea el caso, conectado en serie en el propio circuito eléctrico. Para medir amper se emplea el "amperímetro" y para medir milésimas de amper se emplea el miliamperímetro.
     
    La intensidad de circulación de corriente eléctrica por un circuito cerrado se puede medir por medio de un amperímetro conectado en serie con el circuito o mediante inducción electromagnética utilizando un amperímetro de gancho. Para medir intensidades bajas de corriente se puede utilizar también un multímetro que mida miliamper (mA).
    El ampere como unidad de medida se utiliza, fundamentalmente, para medir la corriente que circula por circuitos eléctricos de fuerza en la industria, o en las redes eléctricas doméstica, mientras que los submúltiplos se emplean mayormente para medir corrientes de poca intensidad que circulan por los circuitos electrónicos.
     

    3.- Resistencia.
    La  resistencia de un material es una medida que indica la facilidad con que una corriente eléctrica puede fluir a través de él.
    La resistencia de un conductor es directamente proporcional a su longitud e inversamente proporcional a su sección y varía con la temperatura.
    Símbolos eléctricos
    Medida de la resistencia. Ley de Ohm.
    La resistencia de un conductor es el cociente entre la diferencia de potencial o voltaje que se le aplica y la intensidad de corriente que lo atraviesa
    R= Va-Vb /I. Es la expresión matemática de la ley de Ohm.
    La unidad de resistencia en el SI es el ohmio  : 1 ohmio = 1 voltio / 1 amperio.
    Un ohmio es la resistencia que opone un conductor al paso de la corriente cuando, al aplicar a sus extremos una diferencia de potencial de un voltio, deja pasar una intensidad de corriente de un amperio.
    A partir de la ley de Ohm se puede calcular la diferencia de potencial entre los extremos de una resistencia de la siguiente forma:
    Va-Vb = I * R
    Asociación de resistencias:
    Serie: Es cuando las resistencias están una detrás de otra. La intensidad en cada resistencia son iguales.

                        VT = V1 + V2 + V3 + ...
                        RT = R1 + R2 + R3 + ...
    Ejemplo:
     RT = 5 + 3 + 10 = 18         IT = VCC / RT
                        VR1 = 5 x IT
                        VR2 = 3 x IT
                        VR3 = 10 x IT
    Paralelo: Es cuando las entradas de cada resistencia están conectadas a un mismo punto y las de salida en otro. El voltaje de cada resistencia es igual al de la Vcc.

                        IT = IR1 + IR2 + IR3 + ...
                        RT = (1 / R1) + (1 / R2) + (1 / R3) + ...
    Ejemplo:
     RT = (1 / 5) + (1 / 3) + (1 / 10 ) = 1.57
                   RR1+R2 = (5 x 3) / (5 + 3) = 1.87   
                 RT = (1.87 x 10) / (1.87 + 10) = 1.57
                         IT = Vcc / RT
                        IR1 = Vcc / 5
                        IR2 = Vcc / 3
                        IR3 = Vcc / 10

    Pasos a seguir para resolver problemas aplicando la ley de Ohm:
    • Dibuja un esquema del circuito.
    • Halla la resistencia equivalente del circuito
    • Utiliza la expresión I = (Va-Vb)/ R o I = fem/R para calcular la intensidad del circuito principal
    • Aplica la ley de Ohm en las diferentes secciones del circuito.
    Si deseas obtener más información sobre la ley de Ohm pincha aquí.


    4.- Potencia
    La potencia de un aparato electrónico es la energía eléctrica consumida en una unidad de tiempo (por lo general, un segundo).
    potencia =  energía consumida/ tiempo         P=E/t
    La unidad de potencia en el SI es el vatio  (W). A menudo la potencia viene expresada en kilowatios. 1kW= 1000 W.
    P = (VA-VB)*I
    De esta ecuación se deduce que:
    • Una diferencia de potencial más elevada origina una potencia mayor, porque cada electrón transporta mucha más energía.
    • Una intensidad mayor incrementa la potencia, pues hay más electrones que gastan su energía cada segundo.
    Ejemplo:
                 Calcula la intensidad de una bombilla de 100W a 220V y calcula su resistencia.
                             I = P / V = 100 / 200 = 0.45A
                             R = P / I2 = 100 / (0.45)2 = 483
    El consumo de energía eléctrica:
    La energía eléctrica consumida se calcula a partir de la expresión de la potencia multiplicada por el tiempo-
    Energía consumida = potencia * tiempo      E=P*t
    La energía viene dada en Julios (1 Julio = 1 vatio * 1 segundo). No obstante, esta no es la unidad de energía eléctrica que aparece en algunos sitios, sino el kilovatio por hora. 1Kw *h = 3600000 J.

    Para más información sobre circuitos y ejercicios pincha aquí.

    5.- Efectos de la corriente eléctrica.

    Al hablar de los efectos de la corriente eléctrica, nos referimos a las diferentes posibilidades de transformación de la energía eléctrica en otras formas de energía útiles para los seres humanos.
    Efecto calorífico o térmico.
    Podemos describir el movimiento de los electrones en un conductor como una serie de movimientos acelerados, cada uno de los cuales termina con un choque contra alguna de las partículas fijas del conductor.
    Los electrones ganan energía cinética durante las trayectorias libres entre choques, y ceden a las partículas fijas, en cada choque, la misma cantidad de energía que habían ganado.  La energía adquirida por las partículas fijas (que son fijas solo en el sentido de que su posición media no cambia) aumenta la amplitud de su vibración o sea, se convierte en calor. Para deducir la cantidad de calor desarrollada en un conductor por unidad de tiempo, hallaremos primero la expresión general de la potencia suministrada a una parte cualquiera de un circuito eléctrico. Cuando una corriente eléctrica atraviesa un conductor, éste experimenta un aumento de temperatura.  Este efecto se denomina “efecto Joule”.
    Es posible calcular la cantidad de calor que puede producir una corriente eléctrica en cierto tiempo, por medio de la ley de Joule.
    E = I 2 * R * t
    Efecto luminoso.
    La energía eléctrica se transforma en energía lumínica a través de la energía calorífica.
    Si deseas más información sobre la energía calorífica pincha aquí.

    Efecto químico.
    La energía eléctrica se transforma en energía química a través de la electrólisis.
    Electrólisis:
    Electrolisis, parte de la química que trata de la relación entre las corrientes eléctricas y las reacciones químicas, y de la conversión de la energía química en eléctrica y viceversa. En un sentido más amplio, la electrolisis es el estudio de las reacciones químicas que producen efectos eléctricos y de los fenómenos químicos causados por la acción de las corrientes o voltajes.
    La mayoría de los compuestos inorgánicos y algunos de los orgánicos se ionizan al fundirse o cuando se disuelven en agua u otros líquidos; es decir, sus moléculas se disocian en componentes cargados positiva y negativamente que tienen la propiedad de conducir la corriente eléctrica. Si se coloca un par de electrodos en una disolución de un electrolito (o compuesto ionizable) y se conecta una fuente de corriente continua entre ellos, los iones positivos de la disolución se mueven hacia el electrodo negativo y los iones negativos hacia el positivo. Al llegar a los electrodos, los iones pueden ganar o perder electrones y transformarse en átomos neutros o moléculas; la naturaleza de las reacciones del electrodo depende de la diferencia de potencial o voltaje aplicado.
    La acción de una corriente sobre un electrolito puede entenderse con un ejemplo sencillo. Si el sulfato de cobre se disuelve en agua, se disocia en iones cobre positivos e iones sulfato negativos. Al aplicar una diferencia de potencial a los electrodos, los iones cobre se mueven hacia el electrodo negativo, se descargan, y se depositan en el electrodo como elemento cobre. Los iones sulfato, al descargarse en el electrodo positivo, son inestables y combinan con el agua de la disolución formando ácido sulfúrico y oxígeno. Esta descomposición producida por una corriente eléctrica se llama electrólisis.










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