ELEMENTOS BÁSICOS ELÉCTRICOS Y ELECTRÓNICOS

EL ÁTOMO La teoría electrónica  De acuerdo con la teoría electrónica, todos los fenómenos eléctricos y electrónicos son causados, bien por el movimiento de los electrones de un lugar a otro, bien por la existencia de un número excesivo o insuficiente de electrones en un determinado lugar y en un instante dado. Representación de un átomo. Toda la materia está compuesta de átomos cuyos tamaños, grados de complejidad estructural y peso pueden ser muy diferentes, pero todos ellos se parecen en lo referente a su composición, ya que están formados por un núcleo (que es diferente de uno a otro átomo entre los correspondientes a los 116 elementos químicos existentes en la naturaleza o que han sido creados por el hombre) y de un número variable de electrones  que se mueven alrededor de este núcleo. La estructura del átomo  Tenemos ahora el átomo más pequeño de la naturaleza, el hidrógeno. Para verlo sería necesario una enorme ampliación. Si pudiéramos verlo por un microscopio, aparecería como un sol con un planeta girando alrededor de él. El  “sol” representa el núcleo del átomo y el “planeta” el único electrón que posee el átomo de hidrógeno.   Este electrón (lo mismo  que todos los que se pueden encontrar en cualquier parte del universo) tiene una carga negativa de electricidad, mientras el núcleo tiene una carga positiva. En todos los átomos, los electrones cargados negativamente giran alrededor de su núcleo cargado positivamente a distancias muy grandes si las comparamos con los tamaños de los núcleos y de los propios electrones, lo que significa que la mayor parte del volumen que ocupa cualquier átomo, por pequeño que sea, está formado por espacio vacío.   El núcleo de un átomo contiene a su vez un cierto número de partículas llamadas “protones”, cada una de las cuales posee una carga positiva de electricidad  (conjuntamente con un  número de otras partículas que no posen carga eléctrica). El número de protones del núcleo es exactamente igual al número de electrones que giran en órbitas alrededor de él; la consecuencia es que, en condiciones normales, el átomo está eléctricamente equilibrado, es decir, el número de cargas eléctricas positivas es el mismo que el de negativas.    Corriente eléctrica. Los componentes de los átomos permanecen agrupados por el efecto de poderosas fuerzas de atracción existentes entre el núcleo y sus electrones. Los electrones situados en las órbitas exteriores de un átomo son atraídos por su núcleo con menos fuerza que los electrones cuyas órbitas están más cercanas al núcleo.   En ciertos materiales (denominados conductores eléctricos) estos electrones exteriores están débilmente ligados al núcleo, que pueden separarse fácilmente de él y quedar errantes entre los otros átomos, moviéndose fortuitamente.   Estos electrones se denominan electrones libres, y es precisamente  el movimiento de estos electrones libres lo que constituye la corriente eléctrica. COMO SE PRODUCE LA ELECTRICIDAD En los átomos de cada trocito de material existentes en el universo hay enormes cantidades de electricidad latente o, por decirlo así, durmiendo. Sin embargo, en tanto que estos átomos permanezcan “eléctricamente equilibrados”, esta electricidad no puede ser liberada ni aprovechada en el uso práctico. Para que esto ocurra es necesario que sea aplicada de una forma de energía externa a una cantidad dada de átomos, de modo que separe de su núcleo positivo algunos de sus electrones negativos. De esta manera, la energía externa aplicada originará energía eléctrica. Las seis fuentes de energía externa que son capaces de separar los electrones negativos de los núcleos positivos de un átomo son: El calor El rozamiento La acción química La luz La presión El magnetismo COMO PRODUCE ELECTRICIDAD EL CALOR La primera fuente de energía externa que puede separar los electrones de su átomo es el calor  y la manera más usual de aplicar el calor para este fin es aplicarlo en la zona donde dos metales diferentes están unidos. Por ejemplo, si se retuercen los extremos de un hilo de cobre y un hilo de hierro formando una unión, y se calienta esta unión, aparecerá una carga eléctrica.   El que esta carga sea mayor o menor dependerá de la diferencia de temperatura entre la unión y los extremos opuesto de los hilos, cuanto mayor sea la diferencia de temperatura, mayor será la carga.   Una unión de este tipo se llama termopar y producirá electricidad mientras se le aplique calor. Esta relación puede emplearse para la medida precisa de temperaturas mediante un termopar en el que una de las uniones se mantiene a una temperatura de referencia conocida (por ejemplo, un baño de hielo) y la otra se coloca en el lugar cuya temperatura quiere medirse. COMO PRODUCE ELECTRICIDAD EL ROZAMIENTO La segunda fuente de energía externa que puede separar los electrones de su átomo es el rozamiento. Si se frotan entre sí materiales diferentes, se puede conseguir que los electrones que pertenecen a uno de los dos  materiales salgan de sus órbitas, transferirlos al otro material y retenerlos en él. Naturalmente el material que pierde los electrones adquiere una carga positiva y el material que los captura, adquiere una carga negativa.   La distribución resultante de carga eléctrica recibe el nombre de electricidad estática.   Entre los materiales que adquieren fácilmente electricidad estática se incluyen el vidrio, el ámbar, el caucho, las ceras, la franela, la seda, el rayón y el nylon. COMO PRODUCE ELECTRICIDAD LA ACCIÓN QUÍMICA La tercera fuente de energía externa que puede separar los electrones de su átomo es la  acción química.   La acción o reacción química que tiene lugar en las pilas y baterías se aprovecha en la práctica para producir electricidad.   Cuando dos o más pilas se conectan entre sí se forma una batería.   Observando las partes de una pila y los electrones, veríamos que el líquido llamado electrolito está expulsando los electrones de una de las placas y conduciéndolos a la otra placa. El resultado de esta acción es un exceso de electrones, o carga negativa, en una de las placas, por lo que el hilo unido a esta placa se llama Terminal negativo. La otra placa se pierde electrones y se carga positivamente, por lo que el hilo unido a ella se le denomina Terminal positivo. COMO PRODUCE ELECTRICIDAD LA LUZ  La cuarta fuente de energía externa que puede separar los electrones de su átomo es la  luz.   La manera más usual de utilizar la luz para producir electricidad, consiste en emplear una clase especial de célula o pila que contiene material fotosensible, el cual tiene la propiedad de crear una carga eléctrica cuando la luz incide en él.   Esta fotocélula consiste en un conjunto metálico en forma de disco que s e compone de tres capas de material diferentes. Una de las capas exteriores es de hierro y la otra está formada por una película de material a través del cual puede pasar la luz. La capa interior o intermedia del conjunto está formada por una aleación de selenio. COMO PRODUCE ELECTRICIDAD LA  PRESIÓN  La quinta fuente de energía externa que puede separar los electrones de su átomo es la  presión.  Cuando hablamos por teléfono o delante de cualquier otro tipo de micrófono análogo, las ondas de presión de la energía sonora que la voz genera ponen en movimiento a un diafragma. El movimiento del diafragma se puede utilizar para generar una carga eléctrica de la manera siguiente: Existen en la naturaleza ciertos materiales cuyos cristales generan una carga eléctrica cuando se ejerce presión sobre ellos (como ocurre cuando se mueve el diafragma). Son ejemplos el cuarzo, la turmalina, las sales de Rochelle. Si se colocase un  cristal de uno de estos materiales entre las placas metálicas y se ejerciese presión sobre las placas de la manera ilustrada en la figura, aparecerían cargas eléctricas opuestas en las placas. La cantidad de estas cargas eléctricas dependerá de la magnitud de la presión ejercida. COMO PRODUCE ELECTRICIDAD EL MAGNETISMO  La sexta fuente (y la más comúnmente utilizada) de energía externa que puede separar los electrones de su átomo es el magnetismo.   El propio magnetismo no se utiliza como fuente directa de esta energía externa. Son producidas grandes cantidades de energía eléctrica en las máquinas giratorias llamadas generadores, en virtud de una acción que tiene lugar entre el devanado del generados y algunos potentes imanes colocados en éste de manera apropiada. Como es natural para que el generador entregue energía eléctrica, debe recibir energía mecánica. Esta energía mecánica puede serle suministrada mediante una turbina hidráulica, un motor de combustión interna o una turbina de vapor.   Al girara el generador, hace uso de las propiedades del magnetismo para la suficiente energía externa al átomo para separar de él alguno de sus electrones, lo que hace posible la obtención de la corriente eléctrica.  volver al índice

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Electricidad Básica 2ª parte

Conceptos de Electricidad Básica (2ª Parte)

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¿QUÉ ES LA CORRIENTE ELÉCTRICA?

Los electrones de las órbitas exteriores de un átomo pueden ser fácilmente obligados a salir de ellas, porque están atraídos por el núcleo con menos fuerza que los electrones cuyas órbitas están más cerca del núcleo. En ciertos materiales, llamados conductores, se necesita muy poca energía para extraer del átomo sus electrones exteriores, ya que su última capa está incompleta (es inestable) y muy alejada del núcleo, con lo cual, la fuerza de atracción es reducida.

En la práctica, el calor existente a la temperatura ambiente es suficiente para liberar los electrones exteriores de los materiales que son buenos conductores, resultando así que en estos materiales existen normalmente un gran número de electrones “libres”. 

Recordemos que un átomo es extraordinariamente pequeño y que en un centímetro cúbico de cualquier sustancia, hay un número enorme de átomos. Por ejemplo en un centímetro cúbico de cobre, el número de átomos que hay es aproximadamente  , o sea, un “1” seguido de 24 ceros. 

Supongamos ahora un alambre o hilo de cobre y cuyos extremos están unidos respectivamente a un polo positivo y a un polo negativo respectivamente. Todos los electrones libres en el cobre serán atraídos por el extremo positivo y repelidos por el extremo negativo. Este movimiento de electrones libres en el mismo sentido a lo largo del hilo es lo que se llama corriente eléctrica. 

Al unir los extremos del hilo respectivamente a lo polos positivo y negativo, decimos que se provoca una corriente eléctrica porque hay una diferencia de potencial entre los extremos del cable. Si observáramos una botella en posición horizontal llena de agua, veríamos que el agua permanece estancada en su interior. Si eleváramos el culo de la botella provocaríamos una diferencia de altura (diferencia de potencial) que haría que se moviese el agua hacia fuera de la botella (corriente eléctrica). Las leyes que gobierna el comportamiento de la electricidad son perfectamente comparables a las que definen el comportamiento de los fluidos.

¿CÓMO SE MIDE LA CORRIENTE?

Cómo se miden las cargas eléctricas 

Visto lo visto, sabemos que la unidad básica o elemental de carga eléctrica es la cantidad de carga negativa que posee un electrón, pero esta carga es enormemente pequeña, por lo que en todas las aplicaciones prácticas se utiliza una unidad más cómoda. 

Para medir el agua u otro líquido cualquiera siempre se han utilizado unidades de medida razonables, pero a nadie se le hubiera ocurrido medir contando el número de gotas de líquido contenidas en un recipiente. Así mismo para medir los de cereales se emplean unidades adecuadas, pero no se cuentan los millones de granos de trigo, por ejemplo cuando éste se compra o vende.

En la medición de la carga eléctrica, la unidad que se emplea es el culombio.

Un culombio es igual a 6.260.000.000.000.000.000 de electrones aproximadamente, es decir, 6.26 trillones, y esto puede darnos una idea de lo pequeñísimo que es un electrón. 

Intensidad de corriente eléctrica. Unidad de medida 

La corriente eléctrica, como ya sabemos, está producida por un gran número de electrones que se mueven en el mismo sentido a través de un material conductor. 

La unidad con que se mide la intensidad de la corriente eléctrica es el amperio.

Recordemos que, mientras un culombio es una medida de cantidad y representa solo el número de electrones que pasan por el conductor, un amperio es una medida de intensidad,  o sea  cantidad de electrones que pasa por un conductor en un tiempo determinado (caudal de electrones).

Medición de la intensidad de corriente 

El dispositivo que se utiliza para medir la intensidad de la corriente que pasa por un conductor, se llama amperímetro.

El amperímetro debe conectarse de forma que pueda “contar” todos los electrones que pasen por el hilo y la única manera de conseguirlo es “abrir la línea” e intercalar en ella el amperímetro, esto es, una conexión en serie.

Sería igual que si quisiéramos contar el aire que entra a un motor, cortaríamos el tubo de entrada de aire al colector de admisión e intercalaríamos en él un caudalímetro de aire, de forma que todo el aire que entra al motor pase a través del mismo.

Cualquiera que sea la magnitud que se desea medir, siempre es conveniente utilizar una unidad adecuada. 

Para medir grandes intensidades, el amperio es la unidad más adecuada, pero frecuente mediremos intensidades de corriente menores que un amperio, es decir, solo algunas milésimas o incluso millonésimas de amperios, es por ello que es muy habitual el uso de concepto como miliamperio (mA) o microamperio (µA). 

¿QUÉ ES LO QUE PRODUCE LA CORRIENTE ELÉCTRICA?

Sabemos que la corriente eléctrica aparece en un material cuando el movimiento casual o arbitrario de los electrones libres es sustituido por un movimiento ordenado y en un solo sentido, de dichos electrones. También sabemos que este movimiento (siempre de negativo a positivo) continuará mientras exista una diferencia de potencial de carga entre dos puntos del material, de la misma forma que una botella llena de agua estaría vertiendo su contenido mientras esta esté inclinada o exista una diferencia de altura entre sus extremos.

 La diferencia de potencial de carga solo puede ser creada por una fuente externa que entregue la energía necesaria para mover los electrones, de modo que en un punto dado haya una deficiencia o exceso de ellos.

 Cualquiera que sea la fuente de energía empleada (calor, presión, magnetismo, etc.), esta energía externa se convierte en energía eléctrica potencial en el instante en que se crea la diferencia de carga.

 La energía eléctrica potencial creada origina lo que se llama fuerza electromotriz, que se escribe abreviadamente “f. e. m.”. Esta f.e.m. es la causa que produce la corriente eléctrica, y la energía eléctrica de esta se emplea en hacer que los electrones se muevan.

Aunque como concepto la fuerza electromotriz y la diferencia de potencial no sean la misma cosa, en la práctica si lo son, y es por ello que la unidad de medida para medir la f.e.m. y la diferencia de potencial, es el voltio. La diferencia de potencial tiene también el nombre de tensión. 

CIRCUITO ELÉCTRICO 

Cuando pasa la corriente por un hilo conductor, millones y millones de electrones almacenados en el terminal negativo de la batería, salen de él atravesando el cable, y entran en la batería por su terminal positivo.

Cualquier combinación de conductor y fuente de energía electromotriz que permita el desplazamiento continuo de los electrones, forma lo se llama circuito eléctrico.

La tensión se representa indistintamente con una V o bien con una U

UNIDADES DE TENSIÓN

El aparato para medir la tensión es al voltímetro y se conecta en paralelo entre los puntos a medir. El voltímetro nos indica la diferencia de potencial entre dos puntos

Si recordamos el ejemplo de la botella inclinada, el voltímetro nos diría la diferencia de altura entre dos puntos de la misma.

Electricidad Básica 3ª parte

Recordar siempre que para utilizar correctamente la ley de Ohm es necesario expresar correctamente las unidades de medida: 

La intensidad siempre en                      Amperios

La tensión siempre en                           Voltios

La resistencia siempre en                      Ohmios 

Si suponemos a modo de ejemplo, que en un circuito hemos medido una resistencia de 10 Ohmios y una corriente de 300 miliamperios. Haciendo previamente la conversión de los 300 miliamperios a amperios para escribir todos los factores de la formula en los términos mencionados anteriormente, la solución nos la proporcionará la fórmula de la Ley de Ohm aprendida:

       

Otra regla que debemos aplicar para utilizar eficaz y correctamente la Ley de Ohm es la de dibujar siempre un esquema del circuito en cuestión antes de hacer cálculos.

                                        CIRCUITOS EN SERIE

En un circuito en serie solo hay un camino para la corriente, esto significa que la misma corriente debe pasar por cada una de las resistencias del circuito.

          

Con este principio se usan los fusibles para proteger los circuitos cuando se someten a intensidades elevadas.

Propiedades de un circuito en serie 

Las tres propiedades más importantes de los circuitos en serie son:

   1.   La  intensidad es la misma en todos los componentes o partes del circuito, esto es:

      

   2.   La  resistencia total del circuito es igual a la suma de las resistencia individuales , esto es:

         

   3.   La suma de las caídas de tensión producidas en un circuito en serie es igual a la tensión total aplicada , esto es:

         

Estas tres propiedades, aplicadas conjuntamente con la ley de Ohm sirven para calcular los valores de los circuitos completos o partes de ellos. 

El circuito equivalente.

La ecuación Rt = R1 + R2 + R3, etc. da lugar a una simplificación muy útil.

Si compara los dos circuitos representados abajo, verá que el de la derecha es prácticamente el mismo que el de la izquierda, es decir una versión "equivalente" de uso más cómodo.

         

Haciendo uso de la ley de Ohm y de los datos consignados en el circuito equivalente, (V = 6  y  R = 12), calculará inmediatamente el valor de los intensidad (la I en el triángulo mágico, que habrá que tapar con el dedo).

           

                            CIRCUITO EN PARALELO

Un circuito en paralelo se reconoce porque en él existen intersecciones o “nudos”.

Cuando se conectan resistencias en paralelo a una fuente de tensión, la tensión entre los extremos de cada una de las resistencias es siempre la misma.

La intensidad de corriente que pasa por cada una de las resistencias es, sin embargo, proporcional al valor de cada una de las resistencias.

El hecho de que las tensiones aplicadas a cada una de las resistencias en un circuito paralelo sean siempre las mismas, tiene una importante consecuencia práctica:

Todas las resistencias que se conecten en paralelo tienen la misma "tensión nominal".

         

En un automóvil este hecho permite que “todos” los componentes estén alimentados con 12 voltios para su correcto funcionamiento.

Intensidad en los circuitos paralelos

En el circuito de la figura para una corriente total de 9 amperios que circula por un circuito paralelo que comprende dos resistencias, R1 y R2 de las cuales R1 tiene doble resistencia que R2.

       

La corriente se divide en proporción inversa a las resistencias de los dos resistores; solo pasan 3 A por R1 cuya resistencia es de 40 ohmios, mientras que pasan 6 A por R2 cuya resistencia es de 20 ohmios. Esto demuestra que con una tensión aplicada igual. La intensidad es proporcionalmente mayor cuando la resistencia es menor.

También se observa en el ejemplo otro detalle:

La intensidad que sale de un nudo es la suma de las intensidades que entran.

Propiedades de un circuito en paralelo 

Según la Ley de Ohm, en los circuitos en paralelo se observan tres propiedades muy importantes que definen sus características:

   1.   La  intensidad total se reparte proporcionalmente en cada  rama del circuito en función de su resistencia.

         

   2.    La  resistencia total del circuito disminuye si aumenta el número de resistencias, ya que cada nueva resistencia supone un nuevo camino para la circulación de la corriente. Por tanto el valor de la resistencia total siempre es menor que el valor de la resistencia más pequeña.  

La expresión matemática se enuncia como sigue: La inversa de la resistencia total es igual a la suma de las inversas de cada una de las resistencias.

         

La tensión entre los extremos de cada una de las resistencias de un circuito paralelo es la misma e igual a la de la fuente de tensión.

           

Intensidades en los circuitos serie-paralelo

La intensidad de la corriente total del circuito serie-paralelo depende de la resistencia total equivalente de todo el circuito cuando está conectado entre los terminales de una fuente de tensión. La corriente se reparte en todas las ramas o caminos en paralelo, y luego todas las corrientes individuales correspondientes a estas ramas confluyen y se suman en las partes del circuito conectadas en serie.

                

La intensidad de la corriente total del circuito es la misma en los dos extremos de un circuito serie-paralelo que es igual a la intensidad de la corriente que sale de la fuente de tensión.

Tensiones en los circuitos serie – paralelo

Las caídas de tensión en un circuito serie-paralelo, se producen de la misma manera que en los circuitos serie y paralelo. En las partes serie de un circuito, las caídas de tensión en las resistencias dependen de los valores individuales de estas de éstas.

En las partes paralelo del circuito, cada rama tiene la misma tensión entre sus extremos y por cada una de ellas pasa una corriente cuya intensidad depende de la resistencia de la rama particular.

            

                                      POTENCIA ELECTRICA

En Física, potencia es la cantidad de trabajo efectuado por unidad de tiempo. Esto es equivalente al tiempo empleado en realizar un trabajo.

La unidad fundamental con que se mide la potencia eléctrica es el vatio.

Un vatio se puede definir como "la velocidad a la que se realiza el trabajo en un circuito en el cual circula una corriente de un amperio cuando haya aplicada una diferencia de potencial de un voltio".

La potencia es la relación entre el trabajo y el tiempo, si se produce más trabajo en el mismo tiempo, se es más potente, si se produce el mismo trabajo en menos tiempo, se es más potente.

Cuando hablamos de potencia eléctrica manejamos el mismo concepto pero podemos definir también otros efectos. Si una lámpara da más luz, es más potente. Si un soldador se calienta antes, es más potente. 

                      

La potencia de un circuito eléctrico es la relación entre intensidad y voltaje, y sus valores resueltos con el mismo método del triángulo.  

                                        CONDENSADORES

Los condensadores son componentes que permiten almacenar energía eléctrica, este efecto se puede aprovechar en un circuito eléctrico con diferentes objetivos, por ejemplo,  para disparar el flash de una cámara fotográfica, para mantener la corriente en un circuito y evitar caídas de tensión o para la activación de los inyectores de los sistemas Common Rail.

A esta propiedad de almacenamiento de carga se le denomina capacidad.

                   

Fundamentalmente los condensadores se componen de dos placas metálicas de poco espesor que pueden ser cargadas eléctricamente y que "están separadas por un material aislante llamado "dieléctrico. Los materiales dieléctricos comúnmente más utilizados son el aire, la mica y el papel encerado.

La capacidad del condensador varía en función de:

El material dieléctrico

                                            

La superficie de las placas

 

La distancia entre las placas

    

La capacidad se mide en Faradios (F), siendo 1 faradio la capacidad de un condensador en el que, sometidas sus armaduras a una diferencia de potencial (d.d.p.) de 1 voltio, éstas adquieren una carga eléctrica de 1 culombio. 

La capacidad de 1 faradio es mucho más grande que la de la mayoría de los condensadores, por lo que en la práctica se suele indicar la capacidad en micro- µF = 10-6, nano- F = 10-9 o pico- F = 10-12 -faradios.        

El montaje de condensadores en serie o paralelo también modifican la capacidad.

         

        

Cuando en un circuito de corriente continua está insertado un condensador, solo circula corriente mientras se está ” llenando” de electrones, cuando el condensador está completamente cargado la corriente se interrumpe. Ya que esto suele durar muy poco tiempo, se dice que un condensador interrumpe (resistencia infinita) un circuito de corriente continua.

Cuando esto mismo sucede en un circuito atravesado por una corriente alterna, el condensador se comporta como un corto (resistencia cero). Esto sucede porque la corriente alterna cambia constantemente de polaridad y el condensador así, se carga y descarga cada vez que cambia el sentido de la corriente.  

Nota del autor 

Con esta tercera parte podemos considerar tratados los aspectos más básicos de la electricidad, que nos permitirán iniciarnos con soltura en los trabajos de la reparación del automóvil que requieran estos conocimientos. Si se comprenden bien los conceptos aquí explicados y se practican adecuadamente, es seguro que el mecánico, a los que va destinado este trabajo, obtendrá un rendimiento adicional en el desempeño de este oficio tan atrayente y sufrido.

Los próximos capítulos de esta serie los dedicaremos a asuntos más prácticos, pero con la misma intención y afán divulgativo.

                 Pedro Ortiz