1.-FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD I
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TEORIA DE LOS ELECTRONES
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TEORIA DE LOS
ELECTRONES
El Átomo es la unidad más pequeña de un
elemento químico, que mantiene sus propiedades y
que no es posible dividir mediante procesos químicos.
Estructura atómica: El átomo esta formado por
un núcleo, que es un conjunto formado por protones
(partículas con carga positiva) y neutrones (particular
con carga neutra), alrededor del cual se encuentra una
capa de electrones (partículas con carga negativa) y
en la misma medida que los protones.
El número atómico: Este número viene dado
por la cantidad de protones que contiene el núcleo del
átomo. Este se representa por la letra “Z” en la parte
inferior izquierda del símbolo químico. ( ²He ). 2 es el
número atómico del Helio.
Protón: Partícula elemental que constituye el
núcleo de cualquier átomo, su carga eléctrica es
positiva y su masa es 1836 veces mayor que la de los
electrones.
Neutrón: Partícula elemental que constituye el
núcleo de cualquier átomo, carece de carga eléctrica y
su masa es ligeramente superior a la del protón.
Electrón: Partícula elemental que constituye
parte del átomo y que giran en torno al núcleo, su
carga eléctrica es negativa y su masa es 1836 veces
menor que la del protón.
En condiciones normales, un átomo tiene el
mismo número de electrones que de protones, lo que
convierte al átomo en eléctricamente neutros. Cuando
un átomo capta o pierde electrones, se convierte en un
ION.
Moléculas simples: Un átomo simple de un
mismo elemento constituye, a su vez, una molécula
simple del propio elemento. El oxígeno (O), hidrógeno
(H), cloro (Cl.), sodio (Na), cobre (Cu), hierro (Fe),
plata (Ag) Y el oro (Au), por ejemplo, son átomos de
elementos simples Y constituyen, al mismo tiempo,
moléculas de cada uno de esos mismos elementos.
Átomo de cloro (Cl.), cuyo número atómico es
17, de acuerdo con la suma total de electrones que
posee. En sus tres órbitas (2 + 8 + 7 = 17) y átomo de
sodio (Na), de número atómico 11, de acuerdo
también. Con la suma de la cantidad de electrones que
posee (2 + 8 + 1 = 11). Como se puede apreciar, el
cloro. Posee 7 electrones en su última órbita, por lo
cual es más propenso a captar el electrón que le falta
para completar ocho,
mientras que el sodio, al
tener sólo 1 electrón, es
más propenso a cederlo
Normalmente un átomo mantiene carga eléctrica
neutra mientras no se altere el balance existente entre
la cantidad de electrones con carga negativa girando
en su última órbita y la cantidad de protones con carga
positiva contenidas en el núcleo. Sin embargo, ese
balance se puede alterar si excitamos el átomo
mediante la aplicación de calor, luz, corriente eléctrica
o por medio de una reacción química.
Con alguno de esos métodos un átomo puede
ganar o ceder uno o varios electrones en su última
órbita y convertirse en un ión del propio elemento
químico.
Así, cuando el átomo cede o pierde electrones, se
convierte en un ión positivo o “catión” del elemento
de que se trate, debido a que en esa situación la carga
eléctrica positiva de los protones del núcleo supera a la
negativa de los electrones que quedan girando en sus
respectivas órbitas.
En el caso contrario, cuando el átomo gana algún
electrón en la última órbita, se convierte en un ión
negativo o “anión”, pues en ese caso la carga eléctrica
negativa (–) de los de electrones superará a la carga
positiva de los protones contenidos en el núcleo.
Tanto los iones positivos como los negativos,
son los responsables de que los átomos manifiesten
fenómenos físicos y reacciones químicas.
Un átomo de cloro cuando
se enlaza con otro de sodio gana
un electrón en su última órbita,
completando ocho electrones.
Así se convierte en un ión
negativo o anión cloro (Cl.), pues la suma total de
electrones con carga negativa supera a la de protones
con carga positiva contenidos en su núcleo.
El Átomo de sodio, por su parte, al cederle al
cloro en ese enlace el único electrón que posee en su
última órbita, se convierte en un ión positivo o catión
sodio (Na+), pues en este caso la carga positiva de los
protones contenidos en el núcleo supera a la suma total
de los electrones que han quedado girando en el resto
de sus orbitas.
Banda de conducción. Se denomina “banda de conducción” al nivel de
energía donde la atracción del núcleo del átomo sobre
los electrones es más débil. Ese nivel corresponde a la
última órbita del átomo, la que puede compartir así sus
electrones entre el resto de los átomos de un cuerpo,
permitiendo que se desplacen por el mismo en forma
de nube electrónica.
Cuando un átomo es excitado empleando
corriente eléctrica, luz, calor, etc., alguno de sus
electrones pueden absorber energía, saltar a la banda
de conducción y desplazarse de una molécula a otra
dentro de un cuerpo.
Cada átomo posee un número determinado de
electrones girando a su alrededor en diferentes órbitas
formando una nube electrónica; sin embargo es sólo la
última órbita la que determina el número de valencia o
propiedades de conducción que posee cada elemento
químico. En cualquier átomo esa última órbita admite
solamente un máximo de ocho electrones para
completar su estructura atómica y la tendencia de
todos es llegar a completarla.
Un átomo con siete electrones en su última órbita
(valencia -1, por ejemplo) tiende a atraer el electrón
que le falta captándolo de otro átomo que posea uno
sólo en su última órbita (valencia +1, por
ejemplo). A su vez el átomo que posee entre uno y tres
electrones en la última órbita tiende a cederlos a otros
átomos que lo requieran para que pueda completar los
ocho.
Ese mecanismo denominado "regla del octeto"
da lugar a la creación de diferentes combinaciones
químicas, a la conducción del calor y a la conducción
de la corriente eléctrica, de acuerdo con la forma en
que sean excitados los átomos.
Conductividad.La conductividad eléctrica es la capacidad de un
cuerpo de permitir el paso de la corriente eléctrica a
través de sí. Es la propiedad de los átomos de los
metales que permite a los electrones (y huecos en el
caso de los semiconductores) que giran en su última
órbita o banda de conducción desplazarse por su
estructura molecular conduciendo calor o electricidad.
Varía con la temperatura y es una de las
características más importantes de los materiales,
La conductividad es la inversa de la resistividad.
De acuerdo con la mayor o menor conductividad que
tenga un cuerpo, se clasifican en tres grupos:
*conductores
*aislantes o dieléctricos
*semiconductores
Conductores. Todos los metales conducen, en mayor o menor
medida, la electricidad y el calor, pues sus átomos
tienden a ceder con facilidad los electrones que giran
en su última órbita. El oro (Au), la plata (Ag), el cobre
(Cu), el aluminio (Al), el estaño (Sn) y el platino (Pt)
son buenos conductores, mientras que el hierro (Fe) y
el plomo (Pb), por ejemplo, lo son en menor medida.
Aislantes o dieléctricos. Son materiales en los que los electrones que
giran en la última órbita de sus moléculas se
encuentran fuertemente atraídos por el núcleo. Eso
impide que se puedan desplazar libremente a través de
la estructura molecular a la que pertenecen, por lo cual
no conducen ni calor, ni electricidad. Entre los buenos
materiales aislantes se encuentran la mica, el teflón, la
porcelana, los plásticos, etc. El aire se considera
también un buen aislante del calor y la electricidad.
Semiconductores.Como su nombre indica, estos materiales no son
exactamente buenos conductores de la electricidad,
pero cuando se les excita sus electrones pueden pasar a
la banda de conducción y facilitar el flujo electrónico,
aunque siempre en un solo sentido. De ahí su nombre
de "semiconductores".
Entre los elementos o materiales
semiconductores más empleados por la industria para
fabricar dispositivos electrónicos como diodos,
transistores, circuitos integrados y microprocesadores
se encuentran el silicio (Si), el germanio (Ge) y el
arseniuro de galio (GaAs).
ELECTRICIDAD
ESTÁTICA.
CONDUCCIÓN
La electricidad es un fenómeno físico originado
por la existencia de cargas eléctricas y por la
interacción de estas.
La electroestática es la parte de la electricidad
que estudia los fenómenos eléctricos en una
disposición estacionaria o estática.
Las cargas eléctricas pueden ser positivas o
negativas. Los cuerpos, sin embargo, pueden ser
además neutros, es decir, tener el mismo números de
cargas positivas que negativas.
Si a un cuerpo neutro, se le extrae una carga
negativa, dicho cuerpo pasa a estar cargado
positivamente y viceversa.
La manifestación física que experimenta un
cuerpo cargado eléctricamente, es la de atracción o
repulsión, hacia otro cuerpo que no sea neutro.
La electrización puede producirse de diferentes
maneras:
*Por medios mecánicos ( frotamiento,
deformación etc.)
*Por medios químicos.
*Por calor
*Por iluminación.
*Por contacto.
*Por inducción.
Atendiendo a la capacidad de trasmitir
electricidad, estos cuerpos los clasificaríamos:
*Conductores
*Aislante o dieléctricos
*Semiconductores
Carga eléctricaSe conoce como carga eléctrica de un cuerpo al
exceso o defecto de electrones que este posee
La unidad de carga eléctrica mas pequeña es el
electrón, pero su valor es demasiado pequeño para
medidas practicas, por lo que se considera como
unidad en el sistema internacional el Culombio (C).
Un culombio es aproximadamente igual a seis
trillones de electrones.
1 Culombio = 6,3×10 ¹⁸ electrones
Cuando una carga eléctrica se encuentra
estacionaria o estática, produce fuerzas eléctricas
sobre las otras cargas situadas en la misma región del
espacio y cuando está en movimiento, produce además
efectos magnéticos.
Ley de Coulomb En lo relativo a los efectos eléctricos, una
partícula puede ser positiva, negativa y neutra.
La expresión matemática de la ley de Coulomb
es:
F = K ×(q y q„) ÷ r²
en donde q y q' corresponden a los valores de las
cargas que interaccionan tomadas con su signo
positivo o negativo, r representa la distancia que las
separa supuestas concentradas cada una de ellas en un
punto y K es la constante de proporcionalidad
correspondiente que depende del medio en que se
hallen dichas cargas.
Así, cargas con signos iguales darán lugar a fuerzas
(repulsivas) de signo positivo, en tanto que cargas con
signos diferentes experimentarán fuerzas (atractivas)
de signo negativo. Consiguientemente el signo de la
fuerza en la ecuación expresa su sentido atractivo o
repulsivo.
Teoría de las bandasEsta teoría mantiene, que cuando dos átomos
enlazan, los orbitales de la capa de valencia se
combinan para formar dos orbitales nuevos que
pertenecen a toda la molécula, uno que se denomina
enlazante (de menor energía) y otro antienlazante (de
mayor energía).
Si se combinasen 3 átomos se formarían 3
orbitales moleculares, con una diferencia de energía
entre ellos menor que en el caso anterior. En general,
cuando se combinan N orbitales, de otros tantos
átomos, se obtienen N orbitales moleculares de
energía muy próxima entre sí, constituyendo lo que se
llama una "banda”.
En los metales existe un número muy grande de
orbitales atómicos para formar enlaces deslocalizados
que pertenezcan a toda la red metálica (como si fuese
una gran molécula).
Como el número de orbitales moleculares es
muy grande forman una banda en la que los niveles de
energía, como se ha dicho anteriormente, están muy
próximos.
En los metales se forman dos bandas. Una en la
que se encuentran los electrones de la capa de
valencia que se denomina "banda de valencia" y otra
que se llama "banda de conducción“ que es la primera
capa vacía.
En los metales, la banda de valencia está llena o
parcialmente llena; pero en estas sustancias, la
diferencia energética entre la banda de valencia y la de
conducción es nula; es decir están solapadas.
Por ello, tanto si la banda de valencia está total o
parcialmente llena, los electrones pueden moverse a lo
largo de los orbitales vacíos y conducir la corriente
eléctrica al aplicar una Diferencia De Potencial.
En el caso de los aislantes la banda de valencia
está completa y la de conducción vacía; pero a
diferencia de los metales, no sólo no solapan sino que
además hay una importante diferencia de energía entre
una y otra (hay una zona prohibida) por lo que no
pueden producirse saltos electrónicos de una a otra.
Es decir, los electrones no gozan de la movilidad
que tienen en los metales y, por ello, estas sustancias
no conducen la corriente eléctrica.
Un caso intermedio lo constituyen los
semiconductores, en el caso de las sustancias de este
tipo, la banda de valencia también está llena y hay una
separación entre las dos bandas, pero la zona prohibida
no es tan grande, energéticamente hablando, y algunos
electrones pueden saltar a la banda de conducción.
Estos electrones y los huecos dejados en la banda
de valencia permiten que haya cierta conductividad
eléctrica. La conductividad en los semiconductores
aumenta con la temperatura, ya que se facilitan los
saltos de los electrones a la banda de conducción.
Cualquier material que tenga muy poca
resistencia con la electricidad y que permita su paso es
un conductor, un buen conductor puede ser la plata, el
cobre y pueden tener una conductividad mil millones
de veces superior a la de un buen aislante.
En los conductores sólidos la corriente eléctrica
es transportada por el movimiento de los electrones; y
en disoluciones y gases, lo hace por los iones.
Conducción eléctrica en sólidos, líquidos y
gasesCuando fluye una corriente eléctrica por un
conductor metálico, el flujo sólo tiene lugar en un
sentido, ya que la corriente es transportada en su
totalidad por los electrones. En cambio en los líquidos
y gases, se hace posible un flujo en dos sentidos
debido a la ionización.
En una solución líquida, los iones positivos se
mueven en la disolución de los puntos de potencial
más alto a los puntos de potencial más bajo; los iones
negativos se mueven en sentido opuesto.
De forma similar, en los gases que pueden ser
ionizados por radiactividad, por los rayos ultravioletas
de la luz solar, por ondas electromagnéticas o por un
campo eléctrico muy intenso, se produce un
movimiento de iones en dos sentidos que produce una
corriente eléctrica a través del gas.
TERMINOLOGÍA
ELÉCTRICA
Fuerza electromotriz (F.e.m.): Para mantener el movimiento de los electrones,
se recurre a un elemento eléctrico denominado
generador que se conecta al circuito, su misión es la de
bombear electrones sacándolos por un extremo y
recibiéndolos por el otro.
El potencial de energía que reciben estos
electrones se denomina fuerza electromotriz (FEM) y
la representamos por “E”.
Diferencia de potencial (d.d.p.):La diferencia de potencial será igual a la F.e.m.
impulsada por el generador menos la gastada en la
resistencia interna del propio generador y su unidad de
medida será el Voltio.
V = E – (I × Ri)
V = Diferencia de Potencial (voltios)
E = FEM (voltios)
I = Intensidad de corriente (Amperios)
Ri = Resistencia Interna (Ohmio)
Voltaje :El Voltio es la unidad de medida de la diferencia
de potencial entre dos puntos de un hilo conductor que
transporta una corriente de 1 amperio, cuando la
potencia disipada entre dichos puntos es igual a 1
Vatio.
La diferencia de potencial entre esos dos puntos,
es el trabajo necesario para llevar esa unidad de carga
desde un punto al otro.
1 Voltio= 1Julio / 1Culombio
Por lo tanto, para que entre dos puntos haya
voltaje, no pueden estar nunca al mismo potencial
eléctrico.
El voltímetro:Es el aparato diseñado para medir diferencia de
potenciales (Voltios), que en realidad no es otra cosa
que un galvanómetro, (mide el paso de corriente a
través de él) con escala graduada en voltios y
conectada en serie con una resistencia elevada, con el
fin de que no produzca un consumo apreciable y no
falsee la medida.
Todo esto al conectarlo en paralelo al circuito a
medir hace que la intensidad que circula sea muy
pequeña y proporcional a la diferencia de potencial
Intensidad eléctrica: Si dos puntos que tienen un potencial diferente,
se unen por un hilo conductor, se creara un flujo de
corriente y la carga que tenga el de mayor potencial,
tendera a pasar al de menor potencial, a esto se le
llama corriente eléctrica. (Intensidad de corriente).
La unidad de la intensidad de corriente se
denomina “Amperio” y basándonos en la ley de ohm:
Si aplicamos una diferencia de potencial de 1
voltio sobre una resistencia de 1 ohm, la intensidad
de corriente que circularía, seria de un amperio:
I = V / R
1 amperio = 1 voltio / 1 ohmio
Podríamos definir que el flujo de esa unidad de
carga que circula a través de hilo conductor es la
intensidad eléctrica.
Por acuerdo se determino que el sentido de la
intensidad eléctrica es del punto positivo (mayor
potencial) al negativo, (menor potencial).
El instrumento que se utiliza para medir la
corriente eléctrica es el amperímetro.
Si en el interior de una bobina, por la que
hacemos circular la corriente que queremos medir,
introducimos un imán, se creara un campo magnético
que desplazara el imán en un sentido u otro
(dependiendo del sentido de la corriente) y si a ese
imán asociamos una aguja y una escala tendremos un
Amperímetro.
Amperímetro:Si para la medida de voltaje, utilizábamos un
amperímetro en paralelo al circuito a medir con una
elevada resistencia en serie.
Para la medida de intensidad utilizaremos el
mismo amperímetro pero esta vez en serie con una
resistencia interna muy pequeña, con el fin de que no
produzca una caída de tensión apreciable (analizar ley
de ohm).
AMPERIMETRO SE COLOCA EN SERIE CON
EL CIRCUITO
VOLTIMETRO SE COLOCA EN
PARALELO CON EL
CIRCUITO
Resistencia y resistividad:La resistencia eléctrica es la oposición que
encuentra la corriente a su paso por un circuito,
obstaculizando el flujo de circulación de las cargas
eléctricas.
Cualquier elemento que coloquemos en un
circuito y que sea consumidor de energía, ofrecerá una
resistencia eléctrica.
La unidad de medida de la resistencia eléctrica es
el ohmio (Ω), que basándonos en la ley de Ohm dice
que 1 ohmio es el valor de oposición que ofrece al
flujo de corriente cuando la diferencia de potencial
aplicada es de 1 voltio si la corriente que circula es de
1 amperio.
R = V ÷ I ; (R = E ÷ I) 1 Ω = 1 V ÷ 1A
Por lo tanto hemos definido que según la ley de
ohm, R = V / I, y estos valores en el Sistema
Internacional R = Ohmio, V = Voltio, I = Amper .El
valor de resistencia que ofrece un conductor al paso de
la corriente eléctrica, viene dado por la siguiente
formula:
R = ρ × L ÷ S
ρ = Constante que depende del tipo de material
del que esta construido el conductor
(resistividad)
L = Longitud del conductor
S = Sección del conductor
El valor de la resistencia específica o resistividad
" ρ " (rho) de un material o conductor eléctrico
cualquiera se obtiene multiplicando los ohm (Ω) de
resistencia que posee un metro de ese material, por el
área de su sección transversal medida en mm2. A
continuación ese resultado se divide por la longitud
que tiene dicho material o conductor eléctrico.
ρ = Ω × mm2 ÷ m
Conductancia y conductividad
La conductancia está directamente relacionada
con la facilidad que ofrece un material cualquiera al
paso de la corriente eléctrica. La conductancia es lo
opuesto a la resistencia, por lo que ambas son
inversamente proporcionales.
De acuerdo con la Ley de Ohm, el valor de la
resistencia “R” se obtiene dividiendo el voltaje o
tensión en volt “E” del circuito, por el valor de la
intensidad “I” en amperios.
Si representamos la conductancia eléctrica con la
letra “G”(sabiendo que es lo opuesto a la resistencia y
que podemos representarla matemáticamente como
1÷R), es posible hallar su valor invirtiendo los valores
de la tensión y la intensidad en la fórmula anterior:
1 ÷ R = I ÷ E G = I ÷ E ó G = 1 ÷ R
es decir, lo inverso a la resistencia.
El valor de la conductancia “G” de un material
se indica en “siemens” y se identifica con la letra "S".
Un siemens equivale a
1 ÷ Ω ó Ωˉ¹
La conductividad, por su parte, es lo opuesto a
la resistividad. La resistividad o resistencia específica
de un material se representa con la letra griega “ρ”
(rho) . Por tanto, su inverso se puede representar
matemáticamente por medio de la fórmula siguiente,
en la que la letra griega “σ” (sigma) representa la
conductividad:
σ = 1 ÷ ρ
Mientras mayor sea la conductividad de un
material o elemento cualquiera, más fácilmente fluirá
la corriente eléctrica por el circuito. La unidad de
medida de la conductividad es el siemens/m (S/m).
Potencia eléctrica.En la asignatura de física, se suele definir la potencia
como la rapidez con la que se ejecuta un trabajo, es
decir la relación que existe entre el trabajo realizado y
el tiempo invertido en realizarlo. La unidad de
potencia eléctrica es el vatio (W).
Potencia = Trabajo ÷ Tiempo
P= E ÷ t
P = Potencia en vatios (W)
E = Energía en julios (J)
t - Tiempo en segundos (s)
La fuerza que mueve un móvil es similar a la tensión
que impulsa a moverse a los electrones por un circuito
eléctrico.
Por otro lado, la velocidad con que se mueve un
móvil se puede comparar con la cantidad de electrones
que fluyen en un circuito eléctrico en la unidad de
tiempo, es decir de la intensidad de la corriente
eléctrica. Según esto, la expresión de la potencia
podría quedar así.
P = I × V = I × ( I × R ) = I² × R
P = I × V = V ÷ R × V = V² ÷ R
La potencia eléctrica es el producto de la tensión
por la intensidad de la corriente.
en la práctica se mide en Kw /h.
Por otro lado, la velocidad con que se mueve un
móvil se puede comparar con la cantidad de electrones
que fluyen en un circuito eléctrico en la unidad de
tiempo, es decir de la intensidad de la corriente
eléctrica. Según esto, la expresión de la potencia
podría quedar así.
P = I × V = I × ( I × R ) = I² × R
P = I × V = V ÷ R × V = V² ÷ R
La potencia eléctrica es el producto de la tensión
por la intensidad de la corriente.
en la práctica se mide en Kw /h.
Medida de la potencia eléctrica
El aparato que mide la potencia eléctrica es el
vatímetro.
En realidad, el vatímetro mide por separado la
tensión y la intensidad de la corriente, para después
realizar la operación P= .V×I .
Este aparato consta de dos bobinas; una
amperimétrica y otra voltimétrica . La bobina
amperimétrica posee unas características similares a la
de un amperímetro: tiene una resistencia muy baja y se
conecta en serie. La bobina voltimétrica posee las
mismas características que las de un voltímetro: tiene
una resistencia muy alta y se conecta en paralelo.
Energía eléctricaDe la expresión que relaciona la energía con la
potencia se deduce que la energía es el producto de la
potencia por el tiempo.
Energia = Potencia ÷ Tiempo
¿Cuál es la unidad de medida de la energía
eléctrica?. Todo dependerá de las unidades que se
tomen de la potencia y del tiempo.
El julio es la unidad perteneciente al sistema
internacional. Como es muy pequeña, se suele utilizar
más el KWh.
GENERACIÓN DE
ELCTRICIDAD
El encargado de producir la electricidad es el
generador, que aprovechando algún fenómeno físico
es capaz de desarrollar una determinada fuerza
electromotriz que separa las cargas entre sus polos y
crea una diferencia de potencial o tensión. Existen
varias formas de producir electricidad, de las cuales se
construyen los diferentes tipos de generadores.
Producción de electricidad por reacción
química.Las pilas y acumuladores son generadores que,
aprovechando la energía que se desarrolla en
determinadas reacciones químicas, producen
electricidad .
Así, por ejemplo, podemos fabricar una pila
sencilla. Introducimos una barra de cobre (Cu) y una
barra de cinc (Zn) en una disolución de agua (H2O)
con unas gotas de ácido sulfúrico (H2SO4). Los
terminales de ambas barras se conectan a un
voltímetro.
El ácido sulfúrico disuelve las barra de cinc y de
cobre, pasando sus átomos a la disolución. Por un
lado, el cinc cede átomos a la disolución, dejando
acumulados gran cantidad de sus electrones en la barra
de cinc. Con la barra de cobre pasa algo similar, pero
en ella se acumulan muchos menos electrones. El
resultado es que la barra de cinc se hace mucho más
negativa que la barra de cobre, apareciendo una
diferencia de cargas, o tensión eléctrica, entre las dos
barras.
Mientras exista material activo en las barras para
disolverse, esta pila elemental producirá fuerza
electromotriz, pero la pila deja de ser útil cuando se
agotan dichos materiales.
Sin embargo, los acumuladores eléctricos, como
los que constituyen las baterías de los aviones, se
pueden recargar una vez agotados. Para ello basta con
hacerles pasar una corriente eléctrica cuando están
descargados. Esto se consigue conectándolos a una
fuente de energía eléctrica.
Producción de electricidad por presión:Existen ciertos, materiales, como los cristales de
cuarzo, que cuando son golpeados o presionados, entre
sus caras aparece una tensión eléctrica.
De alguna manera lo que ocurre es que al
presionar el cristal los electrones sale desplazados de
una de las caras a la otra, originando una diferencia de
cargas. Esta propiedad se denomina
"piezoelectricidad".
Producción de electricidad por acción de
la luzMediante la células fotovoltaicas es posible
transformar directamente la energía luminosa en
energía eléctrica.
La célula fotovoltaica se
construye con materiales
semiconductores sensibles a la
luz. Al incidir energía luminosa
en estos semiconductores, se
provoca el desprendimiento de
electrones en las últimas órbitas de sus átomos,
provocando una diferencia de cargas entre su caras.
Células fotoeléctricas:Una célula fotoeléctrica, también llamada
célula, fotocélula o celda fotovoltaica, es un
dispositivo electrónico que permite transformar la
energía luminosa (fotones) en energía eléctrica
(electrones) mediante el efecto fotovoltaico.
Compuestos de un material que presenta efecto
fotoeléctrico: absorben fotones de luz y emiten
electrones. Cuando estos electrones libres son
capturados, el resultado es una corriente eléctrica que
puede ser utilizada como electricidad.
Producción de electricidad por acción del
calor:Algunos cuerpos
poseen propiedades
termoeléctricas, con los
cuales se pueden construir pares termoeléctricos.
Éstos constan de dos metales distintos y unidos,
que al ser calentados, manifiestan una diferencia de
potencial entre sus extremos. Este fenómeno se debe a
que uno de los metales desprende más electrones que
el otro, por efecto del calor, generándose una pequeña
diferencia de cargas entre sus extremos que es
proporcional a la temperatura de la unión.
Termopares:Un termopar es un dispositivo formado por la
unión de dos metales distintos que produce un voltaje,
que es función de la diferencia de temperatura entre
uno de los extremos denominado "punto caliente" o
unión caliente o de medida y el otro denominado
"punto frío" o unión fría o de referencia.
En Instrumentación industrial, los termopares
son ampliamente usados como sensores de
temperatura. Son económicos, intercambiables, tienen
conectores estándar y son capaces de medir un amplio
rango de temperaturas.
Producción de electricidad por acción
magnética:Esta forma de producir electricidad ya es
conocida por todos nosotros. Se basa en el principio de
Faraday, y es de esta forma como se produce la
energía en las grandes centrales eléctricas mediante los
alternadores o, en otros casos, con las dinamos en
forma de corriente continua.
Cuando se mueve un conductor eléctrico (hilo
metálico) en el seno de un campo magnético (imán o
electroimán) aparece una corriente eléctrica por dicho
conductor. Lo mismo ocurre si se mueve el imán y se
deja fijo el conductor.
Lo mismo ocurre si se mueve el imán y se deja
fijo el conductor. En un generador eléctrico se hacen
mover bobinas en sentido giratorio en las
proximidades de campos magnéticos producidos por
imanes o electroimanes.
LA BATERIA
ElectrólisisLas disoluciones de ácidos (como el ácido
sulfúrico disuelto en agua), y las disoluciones de sales
metálicas (como el sulfato de cobre disuelto también
en agua), permiten el paso de electricidad por su seno,
lo que equivale a decir que dichas disoluciones son
líquidos conductores.
Pero el principal fenómeno que distingue estos
conductores líquidos de los sólidos, consiste en que al
atravesarles la corriente les descompone
químicamente. A este fenómeno se le denomina
electrólisis.
La descomposición del líquido conductor no se
manifiesta en toda su masa, sino únicamente en los
puntos de entrada y salida de la corriente.
El líquido conductor se llama electrólito y los
conductores metálicos, generalmente en forma de
placas o barras, necesarios para hacer llegar la
corriente al líquido, son los llamados electrodos
designándose con el nombre de ánodo, (+) a aquel por
donde penetra la corriente y cátodo (-) a aquel por
donde sale. El sentido de la corriente es el adoptado
convencionalmente, es decir, el de circulación desde el
positivo del generador a su polo negativo.
Teoría electrónica de la electrólisis
Los ácidos, las bases y las sales, al ser disueltos
en un líquido, están sometidos a un proceso de
disociación de sus moléculas con la formación de
iones, fenómeno que se denomina disociación
electrolítica.
Al establecer una tensión entre los electrodos, los
iones positivos se dirigen hacia el cátodo o polo
negativo, y los iones negativos se encaminan hacia el
ánodo. Los electrones que constituyen la corriente
eléctrica son transportados por los iones (recuérdese
como se forma un ion positivo o un ion negativo).
Consideremos, por ejemplo, la electrólisis del
cloruro de cobre, que es un cuerpo de composición
química sencilla (Cl2Cu), lo que quiere decir que dos
átomos de cloro están unidos a un átomo de cobre,
constituyendo una molécula de cloruro de cobre.
Al disociarse la molécula de Cl2Cu, los dos
átomos de cloro llevan cada uno un electrón
suplementario, constituyendo por ello dos iones cloro
negativos, que se dirigen, por tanto, al ánodo (véase la
figura); allí, los dos electrones suplementarios son
tomados por el electrodo, quedando dos átomos de
cloro (neutros) que se unen químicamente para formar
una molécula de cloro, que queda libre o se disuelve,
en su caso, en la solución.
El átomo de cobre procedente de la disociación
de la molécula de cloruro de cobre tiene dos electrones
en defecto (que se llevaron los dos átomos de cloro), y
este ion cobre, positivo eléctricamente, se dirige por
ello al cátodo; allí el electrodo le suministra los dos
electrones que le faltan, convirtiéndose en átomo de
cobre (neutro); que se deposita sobre este electrodo.
Por cada dos electrones que se retiran del cátodo,
otros tantos se añaden al ánodo; de modo que, en
resumen, todo ello se traduce en el de
electrones del cátodo al ánodo, o sea la conducción a
través del electrólito de la corriente eléctrica, y en
obtenerse en el ánodo el radical cloro y depositarse en
el cátodo el metal cobre. No debe olvidarse que el
sentido real de la corriente es del polo menos al polo
más.
Así que en la conducción electrolítica los
electrones son transportados realmente por los iones.
Por ello, cuando la temperatura aumenta y
disminuye por esa misma causa la viscosidad del
líquido, los iones pueden moverse más fácilmente, lo
que explica el porqué de su mayor conductividad si se
eleva la temperatura; aún hay más, pues muchas veces
también con la temperatura aumenta el número de
iones portadores de electrones en la solución.
En las mezclas de líquidos prácticamente no
conductores sucede gran número de veces que la
conductividad de la mezcla es buena. Generalmente,
también al aumentar la concentración de una solución
se aumenta su conductividad.
Las pilas eléctricas son elementos que convierten la
energía que se produce en una reacción química en
energía eléctrica. Sus aplicaciones son ya de sobra
conocidas por todos nosotros, y se reducen
fundamentalmente a la alimentación de pequeños
aparatos portátiles. El tipo de corriente que produce
una pila es de corriente continua. El principal
inconveniente que nos encontramos con las pilas es
que una vez agotado su combustible químico, se
vuelven inservibles y hay que desecharlas.
Al contrario, los acumuladores funcionan de una
forma similar al de las pilas, con la ventaja de que se
pueden recargar multitud de veces, tan sólo con
conectarlos durante un tiempo a una fuente de tensión
continua (cargador de acumuladores).
Características de las pilasFuerza electromotriz “f.e.m.”
Es el primer valor a tener en cuenta en una pila
es la que en realidad es su diferencia de potencial
“d.d.p.” entre sus terminales externos de conexión, es
decir la energía que aporta al circuito de carga. Otro
valor a tener en cuenta es la Tensión de vacio, esta es
la d.d.p. cuando no tiene ninguna carga conectada.
La Resistencia Interna: este valor va a influir sobre la
disminución de la tensión de salida, sobre la intensidad
demandada, esta magnitud dependerá de varios
factores, como son el estado del electrolito, separación
de las placas e incluso del estado de las conexiones
externas.
A medida
que aumente la
temperatura en
el momento de la
descarga, disminuirá su resistencia interna y esta ira
aumentando con el envejecimiento de la batería.
La capacidad de la pila:
Se define como la carga eléctrica acumulada en
su interior y su unidad de medida en el sistema
internacional es el Ah.
Otro valor a tener en cuenta en una batería es la
intensidad máxima que es capaz de suministrar en la
descarga o de admitir en la carga sin que sufra ningún
deterioro.
. Tipos de pilas eléctricasPrimarias
Una pila es un dispositivo que convierte energía
química en energía eléctrica. Las pilas primarias no
son recargables. La energía de una pila primaria se
consume una vez.
Pila de Carbón-Cinc.
Una de las pilas más simples es la pila de
carbón-cinc. Consiste en una barra de carbón y una
tira pequeña del cinc suspendida en una solución del
agua y ácido sulfúrico).La batería común de la
linterna, es una pila de este tipo.( barra de carbón+
cloruro de amonio, dióxido del manganeso y granuló
el carbón + recipiente de cinc)
Ambos tipos de baterías
de carbón-cinc producen cerca
de 1.5 voltios, con la cantidad
de corriente dependiendo del
tamaño de la pila.
Pilas alcalinas.
Las pilas alcalinas funcionan esencialmente igual
que las pilas del carbón-cinc. La diferencia es el
electrólito, que es hidróxido del potasio. El resultado
es una batería capaz de producir más corriente con el
mismo voltaje.
Pilas de mercurio.
Las pilas de mercurio utilizan una acción
electrolítica similar como carbón-cinc y las pilas
alcalinas usando un gránulo del mercurio en vez del
carbón. Aunque produce el mismo voltaje que los
otros tipos de pilas, la cantidad de corriente para su
tamaño la hace especialmente útil.
Secundarias o acumuladores.
Una pila secundaria también tiene sus electrodos
y electrólito alterados por la acción química que tiene
lugar durante carga/descarga de la pila. A diferencia
de la pila primaria, la pila secundaria es capaz de
revertir el proceso de la descarga. Es decir, la pila
secundaria puede ser recargada.
Múltiples pilas secundarias se combinan en un
envase para formar una batería de acumuladores.
El principio de funcionamiento de los
acumuladores es similar al de las pilas eléctricas (dos
electrodos de diferente constitución sumergidos en un
electrólito).
La diferencia entre pilas y acumuladores está en
que estos últimos se pueden recargar aplicando entre
sus electrodos una diferencia de potencial
perteneciente a una fuente de alimentación o cargador
de baterías.
De esta manera al hacer pasar corriente eléctrica
por un acumulador descargado se consigue reponer las
condiciones químicas iniciales.
Dependiendo del electrólito utilizado y de la
constitución de los electrodos se pueden construir
diferentes tipos de acumuladores. Según el tipo de
electrólito utilizado los acumuladores pueden ser
ácidos o alcalinos.
En los ácidos se utiliza como electrólito una
disolución de ácido sulfúrico (H2SO4), como es el caso
de los acumuladores de plomo. En los alcalinos el
electrólito suele ser hidróxido potásico (KOH), como
es el caso de los acumuladores de níquel-cadmio y de
níquel- hierro.
Acumuladores de plomo
Estos acumuladores constan de dos placas de
plomo sumergidas en un electrólito formado por una
disolución de agua destilada más ácido sulfúrico
(H2SO4 + H2O). Cuando el acumulador está cargado,
el electrodo negativo está constituido por una placa de
gran superficie que aloja plomo puro (Pb) en estado
esponjoso; y en el electrodo positivo la placa contiene
dióxido de plomo (PbO2) del color marrón oscuro. A
su vez, la densidad del ácido sulfúrico es elevada, del
orden de 1,2 a 1,28 g/cm3.
Si en estas condiciones conectamos un receptor
entre ambas placas aparecerá una corriente eléctrica
gracias a la f.e.m. generada por el mismo principio de
funcionamiento de las pilas.
Acumuladores alcalinos
En los acumuladores alcalinos el electrólito que
se utiliza consiste en una solución de hidróxido
potásico (KOH). Según el material que se emplee en
las placas se pueden construir diferentes tipos de
acumuladores, con la idea de encontrar las
características idóneas para cada una de las
aplicaciones posibles.
En la Tabla se da una relación de los diferentes
tipos de acumuladores alcalinos.
Dentro de estos acumuladores los más utilizados
hasta ahora son los de níquel-cadmio y el de níquel-
hierro. Los acumuladores con electrodos de plata
resultan muy caros, aunque sus buenas características
los hace ideales para aplicaciones de interés
estratégico (satélites, equipos militares, etc.).
Electrodo positivo de
óxido de níquel
Electrodo positivo de
óxido de plata
Electrodo positivo
hidrógeno
Níquel-cadmio Plata-cinc Plata-hidrógeno
Níquel-hierro Plata-cadmio Níquel-hidrógeno
Níquel-zinc Plata-hierro
ACUMULADORES ALCALINOS
Parámetros principales de una batería:Capacidad: La capacidad de un acumulador nos indica
la cantidad de electricidad que almacena el mismo.
Ésta se mide en Amperios × hora (Ah) y se calcula
mediante la expresión:
Q = I × t
y depende principalmente de:
*La cantidad de Electrolito.
*De la cantidad del material activo en placas.
*Superficies de las placas.
Las bajas temperaturas disminuyen la capacidad
Cuando exigimos que el acumulador ceda
grandes cantidades de corriente, las reacciones
químicas en las placas son más superficiales, por lo
que el acumulador se descarga más rápido y
disminuye su capacidad.
De aquí se deduce que la capacidad de un
acumulador es mayor cuanto menor sea la intensidad
de descarga
Resistencia interna: Se mide en ohmios y depende
principalmente de:
Tipo de electrolito.
Área de las placas.
Material de las placas.
Separación entre placas positivas y negativas.
La resistencia interna de un acumulador de
plomo es muy pequeña. Esto aporta ciertas ventajas e
inconvenientes.
Al ser baja la resistencia interna, la caída de
tensión que en ella se origina también lo es, por lo que
la tensión en bornes es más estable con los cambios de
corriente. Además las pérdidas de potencia son bajas.
Por otro lado, en caso de producirse un
cortocircuito, esta pequeña resistencia interna provoca
que la corriente sea muy elevada, pudiendo llegar a
deformar las placas. En conclusión, se deben evitar los
cortocircuitos con las protecciones adecuadas.
Tensión:
Se mide en voltios y depende principalmente de:
*Número de acumuladores, si están en serie.
*Constitución química de los componentes.
*Concentración del electrolito.
*Temperatura del electrolito.
*No depende de la superficie de las placas.
Para aviación en general se dispone de dos
posibles tensiones en las baterías; de 12V para aviones
ligeros, monomotor o bimotor, y de 24V para aviones
de gran tamaño (al utilizar una tensión mayor,
utilizaremos una Intensidad menor, y por lo tanto la
sección de los cables que forman el tendido eléctrico
será menor).
Tensión y corriente de carga de un acumulador
Para cargar una batería de acumuladores hay que
conectar una fuente de alimentación de C.C. que
proporcione una tensión superior a la nominal de la
batería, situando el polo positivo de la fuente de
alimentación con el positivo de la batería, y el
negativo de la fuente con el negativo de la batería.
En este proceso, es importante vigilar que la
comente no supere los valores máximos recomendados
por el fabricante. Este valor suele estar en torno al
10 % del valor de la capacidad del acumulador.
Por lo general, utilizaremos como fuente de
alimentación, un cargador de baterías. Con él se fija la
corriente máxima de carga, realizando un proceso
automático de la regulación de carga y
desconectándose una vez alcanzada la carga completa.
Tensión y corriente de descarga
Cuando se conecta un acumulador de plomo a un
receptor, su tensión en bornes tiende a disminuir
debido a la caída de tensión en su resistencia interna.
Según se va descargando el acumulador, la
tensión en bornes va disminuyendo, pudiendo llegar a
desaparecer por completo. Por supuesto, es importante
no llegar nunca a este extremo.
De hecho, se recomienda no descender nunca de
la tensión límite de descarga, que en el caso de un
acumulador de plomo está en aproximadamente 1,8
voltios. Por debajo de esta tensión, el proceso de
descarga tiende a formar cristales muy grandes de
sulfato de plomo (SO4Pb) en las placas (sulfatación de
las placas), que hacen difícil su reconstitución en el
proceso de carga.
Para evitar que una batería de acumuladores se
descargue por debajo de la tensión límite de descarga
se utilizan reguladores automáticos que vigilan
constantemente la tensión y corriente en bornes de la
batería, produciendo la desconexión de la misma en
caso de alcanzar valores no recomendables.
Métodos de carga
Existen dos métodos principales de carga de
acumuladores:
Método de tensión constante.
En este método, la corriente en el comienzo del
proceso es alta pero disminuye paulatinamente,
alcanzando un valor de aproximadamente 1 amperio
cuando la batería se carga completamente. En el avión,
la batería de acumuladores es cargada por la C.C. de
los sistemas del avión con la supervisión de un
regulador de voltaje.
Método de corriente constante.
En este método, la corriente permanece casi
constante durante la carga. Requiere más tiempo para
cargar una batería completamente y, hacia el final del
proceso, presenta el peligro de sobrecarga si no se
tiene cuidado. Con este proceso se pueden cargar
varias batería a la vez conectándolas en serie y
ajustando el cargador para tal efecto.
Potencia del generador
Potencia perdida por el generador:
En la resistencia interna también se produce una
pérdida de potencia, que se transforma en calor por
efecto Joule y que reduce el rendimiento del
generador.
Ρp = Rᵢ×I²
Potencia total cedida por el generador:
La potencia total que cede el generador al
circuito será la suma de la potencia que se pierde en la
resistencia interna más la que aparece en la carga. Para
calcularla aplicamos la expresión de la potencia
utilizando la fuerza electromotriz en el primer término
(la f.e.m. se corresponde con toda la tensión que
proporciona el generador) y la corriente en el
segundo.
Ρt = E× I Ρt = Pu+Pp
Potencia útil cedida a la carga:
Al receptor se le entrega una potencia que es
inferior a la total generada. Esta potencia útil es igual
al producto de la tensión en bornes del generador por
la corriente.
Pu = Vb× I
Rendimiento eléctrico de un generador
Es la relación que existe entre la potencia útil que
suministra el generador al circuito y la potencia total
que éste desarrolla. Se representa por la letra griega .
Si expresamos el rendimiento porcentualmente,
tendremos que: = (Pu ÷ Pt) × 100
Disposición de baterías:Los acumuladores se pueden agrupar, con el fin
de reforzar los parámetros de tensión y capacidad:
Acumuladores en serie:
Esta disposición de baterías o acumuladores
representa las siguientes características:
Tensión total: tensión de un acumulador × nº de
acumuladores.
Resistencia Interna: Ri de un acumulador × nº
de acumuladores.
Intensidad de descarga: Intensidad de un
acumulador.
Capacidad: Capacidad de un acumulador.
Acumuladores en paralelo:
Esta disposición de baterías o acumuladores
representa las siguientes características:
Tensión total: Tensión de un acumulador
Resistencia Interna: Ri de un acumulador ÷ nº
de acumuladores.
Intensidad de descarga: Intensidad de un
acumulador × nº de acumuladores.
Capacidad: Capacidad de un acumulador × nº de
acumuladores.
CIRCUITOS DE CORRIENTE
CONTINUA
RESISTENCIAS Y
RESISTORES
Código de colores para el valor de las
resistencias:Las dos primeras bandas, empezando por la
izquierda, indican las dos primeras cifras del valor de
la resistencia
La tercera banda indica el nº de ceros que hay
que añadir al valor anterior.
La cuarta banda nos indica la tolerancia
Ejemplo: 230000 ohmios = 230 K con 10% de
tolerancia.
Para resistencias de precisión, en lugar de llevar
4 bandas llevaría 5 bandas, la lectura sería la misma,
teniendo en cuenta que la 4ª banda sería el
multiplicador o nº de ceros.
Asociación de resistencias:Las resistencias pueden estar asociadas en serie o
en paralelo, también denominado derivación.
El comportamiento de una resistencia al paso de
una corriente continua no es el mismo que al de una
corriente alterna, ya que para C/A habría que tener en
cuenta la frecuencia, sin embargo para bajas
frecuencias, podríamos despreciarla.
Resistencia en serie:
La resistencia equivalente de un circuito de
varias resistencias en serie, será igual a la suma de
todas las resistencias.
Re = R₁+R₂+R……
La Intensidad que
circula por un circuito de varias resistencias en serie es
siempre la misma y aplicando la ley de ohm, podemos
deducir:
I = Vt ÷ Re = Vt ÷ (R₁+R₂+R……)
Entonces deducimos que para que la ley de ohm
se cumpla, la variación estará en la diferencia de
potencial (tensión) en cada resistencia.
Vt = ( I × R₁) + ( I × R₂ ) = V₁ + V₂
Y de esto deducimos que la tensión en cada
resistencia:
V₁ = I × R₁ y V₂ = I × R₂
Resistencia en paralelo:
La resistencia equivalente de un circuito de
varias resistencias en paralelo es igual a la inversa de
la suma de las inversas.
Re = 1 ÷ (1 ÷ R₁) + (1 ÷ R₂) + (1 ÷ R............)
En este tipo de circuito vemos que la Intensidad
total del circuito, se divide a su paso por cada
resistencia, es decir:
It = I₁ + I₂
Podemos comprobar que la diferencia de
potencial en un circuito de resistencias en paralelo, es
la misma para cada resistencia.
It = V ÷ Re = V ÷ R₁ + V ÷ R₂ + V ÷ R.......
Como: V ÷ R₁ = I₁, V ÷ R₂ = I₂, V ÷ R₃ = I₃Por lo tanto:
It = I₁ +I₂ +I….
Leyes de kirchoff:Estas leyes se utilizan para resolver circuitos
eléctricos complejos, en los cuales existen
interconectados varios generadores y receptores.
En un circuito se han conectado en paralelo dos
baterías de acumuladores que suministran energía a
una lámpara de 10 Ω. La batería n° 1 produce una
f.e.m. E1 = 12 V con
una resistencia interna
r1 = 0,2 Ω. En la
batería n° 2,
E2 = 11 V,
r2 = 0,1 Ω.
Calcular la tensión que aparece en bornes de la
lámpara, así como la intensidad y potencia de la
misma. ¿Qué corriente cede cada una de las baterías?
Este problema se puede resolver aplicando
adecuadamente las leyes de Kirchhoff.
1a ley de Kirchhoff
En cierto modo, esta ley ya la hemos estado
aplicando para la resolución de los circuitos en
paralelo. Dice así:
En todo circuito eléctrico, la suma de las
corrientes que se dirigen hacia un nudo es
igual a la suma de las intensidades que se
alejan de él.
Un nudo es cualquier punto de un circuito donde
se conectan más de dos conductores. En el ejemplo
mostrado en la figura existen el nudo A y el nudo B.
En el nudo A se cumplirá que
I3 = I1 + I2
2a ley de Kirchhoff
Esta otra ley
también es conocida
por todos nosotros,
ya que la hemos
aplicado en la resolución de circuitos en serie.
En un circuito cerrado la suma algebraica de las
fuerzas electromotrices de los generadores es igual a la
suma algebraica de las caídas de tensión en los
receptores. Dado que tanto las f.e.m. como las caídas
de tensión son al fin y al cabo diferencias de potencial,
también se podría enunciar esta ley así:
A lo largo de todo camino cerrado o malla,
correspondiente a un circuito eléctrico, la
suma algebraica de todas las diferencias de
potencial es igual a cero.
La única dificultad que encontramos para
aplicar de esta última manera la 2a ley de Kirchhoff es
determinar qué diferencias de potencial son positivas
respecto a las otras, y así conseguir igualarlas a cero.
Una malla es todo camino cerrado de un circuito
eléctrico. En nuestro ejemplo se pueden apreciar
claramente la malla M1 y la malla M2. Las hemos
representado en el circuito mediante una flecha
curvada que nos indica el recorrido de las mismas.
La malla M1 se cierra por la batería de 12 V
junto con su resistencia interna de 0,2 ohmios,
continúa por la resistencia interna de 0,1 ohmios de la
segunda batería para acabar cerrando el circuito por la
batería de 11 V. La malla M2 lo hace por la batería, de
11 V y su correspondiente resistencia interna de 0,1
ohmios y se cierra por la resistencia de 10 ohmios de
la lámpara.
Antes de aplicar esta segunda ley, conviene
establecer una regla de signos que nos indique las
polaridades correctas de cada una de las diferencias de
potencias que aparecen en cada malla.
Marcamos con una flecha la f.e.m. del generador
(la punta de la flecha siempre nos indica el potencial
positivo). La intensidad que parte del generador la
indicamos con una
flecha (sentido
convencional de la
corriente) del mismo
sentido que la f.e.m.
Marcamos con otra flecha la caída de tensión en
el receptor (V = R × I); para que el terminal positivo
de esta caída de tensión quede situado en la punta de la
flecha, su sentido será siempre contrario al de la
intensidad que recorre el mismo.
Si ahora aplicamos la 2a ley de Kirchhoff a la
malla formada, según el sentido marcado en la figura,
tendremos que: la fuerza electromotriz E se manifiesta
en el mismo sentido que la malla M, luego será
positiva; la caída de tensión R × I se manifiesta en
sentido contrario al de la malla, luego será negativa.
De esta forma
tendremos la siguiente
ecuación:
E – (R × I) = 0,
ecuación que nos
indica que,
efectivamente:
E = R × I
¿Cómo se aplican las leyes de Kirchhoff para la
resolución de circuitos?
a) Se fijan provisionalmente el sentido de las
intensidades de corriente por el circuito (una vez
resuelto el sistema de ecuaciones planteado,
conoceremos el verdadero sentido de las mismas),
partiendo del principio de que los generadores
proporcionan corriente por su terminal positivo
(sentido de corriente convencional).
b) La aplicación de la segunda ley requiere fijar
previamente y de forma arbitraria, un sentido para
recorrer cada una de las mallas. Las f.e.m. y las caídas
de tensión se consideran positivas si la flecha que
indica su sentido coincide con el marcado por nosotros
en la malla, y negativa en el caso contrario.
c) Se aplicará la 1a ley a todos los nudos del
circuito excepto a uno (esto se hace para no escribir
ecuaciones repetidas).
d) Se aplica la 2a ley a tantas mallas o circuitos
cerrados como sea necesario para disponer de un
sistema de tantas ecuaciones como incógnitas.
Resistencia variable (potenciómetro)Un Potenciómetro es una resistencia a la que se
le puede variar su valor, por lo tanto, podremos variar
la intensidad de corriente que circula por el circuito
(Ley de Ohm) y también la ddp según
como lo conectemos.
Cuando lo que queremos variar
son pequeñas corrientes, utilizamos
una resistencia variable o potenciómetro y cuando
necesitamos controlar corrientes de alto amperaje,
utilizamos el reóstato.
Puente de Wheastone:El puente de Wheastone, es un dispositivo que se
utiliza para medir resistencias desconocidas. El
circuito esta compuesto, por cuatro resistencias en
serie formando un circuito cerrado.
Tres de las resistencias son de valor conocido,
una de ellas es variable y una cuarta resistencia de
valor desconocido, que es la que queremos medir.
Se conecta una batería entre dos de los vértices
opuestos y un amperímetro en los otros dos. El
amperímetro, marcara una pequeña corriente, que se
anulara variando la resistencia variable.
El amperímetro marcara cero, cuando el puente este equilibrado y entonces podemos calcular el valor de la resistencia desconocida.
Si construimos el puente de manera que R₁ = R₃ y Rₓ = R₂
se producirá el equilibrio y circulara corriente cero por el amperímetro.
Y entonces:
R₁÷ R₂ = R₃ ÷ Rₓ
Rₓ = R₂ × R₃ ÷ R₁
Termistores:Un termistor es un semiconductor que varía el
valor de su resistencia eléctrica en función de la
temperatura, su nombre proviene de Thermally
sensitive resistor (Resistor sensible a la temperatura
en inglés). Existen dos clases de termistores: NTC y
PTC.
NTC
(Negative Temperature Coefficient) es una resistencia
variable cuyo valor va decreciendo a medida que aumenta la
temperatura.
PTC
Un termistor PTC (Positive Temperature
Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor va
aumentando a medida que se incrementa la
temperatura.
CAPACIDAD Y
CONDENSADORES
El condensador El condensador es un dispositivo que almacena
una carga eléctrica, esta formado por un par de
superficies conductoras, denominadas placas, en las
que todas las líneas de fuerza que salen de una de ellas
va a parar a la otra (influencia total).
Entre las dos superficies que lo forman existe un
dieléctrico (elemento no conductor) o vació.
Cuando un condensador es sometido a una
diferencia de potencial este recibe una determinada
carga eléctrica, positiva en un placa y negativa en la
otra.
La carga almacenada, es proporcional a la
diferencia de potencial entre las placas y a esto se
denomina Capacidad y su unidad es el Faradio:
C = Q ÷ V
Faradio = Culombio ÷ Voltio
C = Capacidad,
Q= Carga eléctrica,
V = Diferencia de potencial
La capacidad de un condensador estará afectada
por el tipo de dieléctrico, el área de las placas y la
separación entre ellas.
El dieléctrico es el medio que separa las placas
de un condensador, esta formado por un material no
conductor, a veces es el aire
La distancia entre placas es otro factor
importante al oponerse el dieléctrico al
establecimiento de las líneas de corriente entre placas.
Por lo tanto cuando se disminuye la separación entre
las placas, se aumenta la capacidad del condensador ya
que se reduce la oposición a las líneas de fuerza.
La energía entregada por el circuito, es
almacenada en el dieléctrico y devuelta al circuito el
periodo de descarga
El comportamiento de un condensador al
aplicarle una CC, es prácticamente como si fuera un
circuito abierto, pero al aplicarle una CA, este ofrece
una resistencia denominada Reactancia Capacitiva
“Xc”
Xc = 1 / (2 πFC)
Xc = Reactancia capacitiva
F = Frecuencia
C = Capacidad
Capacidad:Se mide en faradios y submúltiplos:microfaradios µF = 0,000001 FNanofaradios nF = 0,000000001FPicofaradios pF =0,000000000001 F
Tensión de trabajo: Es la máxima d.d.p. que puede soportar un condensador.Tolerancia:Error máximo entre la capacidad real y la marcada, Polaridad:Principalmente los condensadores electrolíticos, llevan polaridad al aplicarles una d.d.p.
Funcionamiento de un condensador
Al aplicar una d.d.p. a un condensador, este
recibe una corriente inicial, durante un breve periodo
de tiempo, hasta alcanzar un nivel determinado
denominado de carga.
Una vez cargado, el condensador se comporta
como si fuera un elemento aislante, pero si unimos las
dos placas de la armadura mediante un conductor, el
condensador comienza a descargarse hasta alcanzar el
estado de descarga.
Condensadores en serieEl condensador equivalente de un circuito serie
viene dado por la siguiente relación:
1÷Ce = 1÷C1 + 1÷C2 + 1÷C3 + ……………
Vt = V1 + V2 + V3 +……………
Condensadores en paralelo:El Condensador equivalente de un circuito
paralelo viene dado por la relación:
Ce = C1 + C2 + C3
It = I1 + I2 + I3
Los condensadores suelen usarse para: Baterías,
por su cualidad de almacenar energía. Memorias, por
la misma cualidad. Filtros. Adaptación de
impedancias, haciéndolas resonar a una frecuencia
dada con otros componentes. Demodular AM, junto
con un diodo. El flash de las cámaras fotográficas.
Tubos fluorescentes. Mantener corriente en el circuito
y evitar caídas de tensión.
Un condensador variable es aquel en el
cual se pueda cambiar el valor de su capacidad.
Tipos de condensadores:Condensadores de Mica: Como dieléctrico se
utiliza la mica, y como está tiene una gran rigidez
dieléctrica, se utiliza para elevadas tensiones y
frecuencias
Condensadores de papel: En este caso el
dieléctrico es una lamina de papel, y las placas son de
estaño o aluminio, su característica principal es la
resistencia a los cambios térmicos.
Condensadores electrolíticos: Su
peculiaridad principal es la de mantener polaridad, se
ha de tener la precaución de montarlos adecuadamente
Los condensadores electrolíticos suelen presentar
capacidades elevadas con poco volumen.
Condensadores variables: Como es lógico se
caracterizan por tener la posibilidad de varias su
capacidad, debido a varias armaduras intercaladas y
móviles, el dieléctrico suele ser el aire.
Condensadores ajustables: Es una variedad
de los condensadores variables, en los que se pueden
ajustar la capacidad, también son denominados
TRIMMERS
Código de colores:
Proceso de carga de un condensadorCuando el interruptor se mueve a “A” la
corriente I sube bruscamente (como un cortocircuito) y
tiene el valor de I = E ÷ R amperios (como si el
condensador no existiera momentáneamente en este
circuito serie RC), y poco a poco esta corriente va
disminuyendo hasta tener un valor de cero (ver el
diagrama inferior).
El voltaje en el condensador no varía
instantáneamente y sube desde 0 voltios hasta E
voltios (E es el valor de la fuente de corriente directa
conectado en serie con R y C, ver diagrama 1).
El tiempo que tarda el voltaje en el condensador
(Vc) en pasar de 0 voltios hasta el 63.2 % del voltaje
de la fuente está dato por la fórmula τ = R × C donde
R está en Ohmios y C en Milifaradios y el resultado
estará en milisegundos.
Después de 5 × τ (5 veces τ) el voltaje ha subido
hasta un 99.3 % de su valor final. Al valor de τ se le
llama "Constante de tiempo“
Proceso de descarga de un condensador
El interruptor está en B.
Entonces el voltaje en el condensador Vc empezará
a descender desde Vo (voltaje inicial en el
condensador). La corriente tendrá un valor inicial de
Vo ÷ R y disminuirá hasta llegar a 0 (cero voltios).
Donde: τ = R×C es la constante de tiempo
