Antecedentes Electricidad

7/23/2019 Antecedentes Electricidad

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Antecedentes de la electricidad

1. Introduccin

2. Antecedentes histricos de la electricidad

3. Materiales y conductividad elctrica

4. Semiconductores

5. Niveles de energa!. "onductores

#. $ey de %ouley

&. $a ley de 'hm

(. "ircuito elctrico

1). "onclusin

11. *i+liogra,a

Introduccin

En este material instruccional se introducir en forma sucinta los lineamientos bsicos sobre corrienteelctrica. Se resalta el concepto de resistencia elctrica y su vinculacin con el efecto joule; el cual permitirexplicar la influencia del calor en la resistividad elctrica de los materiales. La ley de om es abordada! y apartir de ella se introduce la nocin de potencia elctrica. Las leyes de "ircoff son expuestas y empleadasal ense#ar el mtodo de las mallas y el mtodo de los nodos; asimismo! se esbo$ar la regla del derivadorde corriente y la regla del divisor de tensin! ambas usadas en el anlisis de circuitos elctricos serie %paralelo. &uy someramente! se tocar el teorema de 'evenin! el teorema de superposicin y el teorema de(orton. )l final! se ofrecer una recopilacin de algunos problemas *ue an formado parte de lasevaluaciones de coortes precedentes.)l trmino de ste mdulo! el estudiante tendr la abilidad y pericia necesaria para aplicar los conceptosbsicos de circuitos elctricos en la resolucin de problemas prcticos *ue involucren redes elctricas encorriente continua.

Antecedentes histricos de la electricidad

Los antecedentes de la electricidadcomien$an sobre el a#o +,, antes de -risto en el pas de /recia en el*ue se acostumbraba a frotar un tipo de resina fsil llamada 0electrn0! pero ms conocida como mbar! conun tro$o de tela! y tras lo cual! se consegua atraer pe*ue#as partculas de polvo o de paja de poco peso.*en-amin ran/lin1enjamin 2ran3lin! famoso escritor y poltico de estados unidos! descubri en 4567! con su exitosoexperimento de la cometa unida a una llave de ierro! *ue exista cierto campo elctrico similar al del mbar78,, a#os antes.0alvani y volta

El se#or luigi galvani! famoso mdico! descubri *ue al poner en contacto un metal con una anca de ranamuerta! sta anca pareca cobrar vida y lograba reali$ar ciertos espasmos. 9osteriormente! cientficos comoalessandro volta! en alusiones a este experimento! comprobaron *ue el secreto no estaba tanto en la rana!como en el metal! *ue bajo las condiciones adecuadas! transmita cierta electricidad de igual modo *ue loacen los sistemas nerviosos de un animal.:olta! fabric la primera batera o pila! colocando dos tro$os finos de cobre y de $inc! separados por unapasta meda.


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La conductividad elctrica es una medida de la capacidad de un material de dejar pasar la corrienteelctrica! su aptitud para dejar circular libremente las cargas elctricas. La conductividad depende de laestructura atmica y molecular del material! los metales son buenos conductores por*ue tienen unaestructura con mucos electrones con vnculos dbiles y esto permite su movimiento. La conductividadtambin depende de otros factores fsicos del propio material y de la temperatura.

-omo sabemos existen materiales capaces de conducir la corriente elctrica mejor *ue otros./enerali$ando! se dice *ue los materiales *ue presentan poca resistencia al paso de la corriente elctricason conductores. )nalgicamente! los *ue ofrecen muca resistencia al paso de esta! son llamadosaislantes. (o existe el aislante perfecto y prcticamente tampoco el conductor perfecto.Existe un tercer grupo de materiales denominados semiconductores *ue! como su nombre lo indica!conducen la corriente bajo ciertas condiciones.'ambin existe otro tercer tipo de materiales! *ue cambia en mayor o menor medida la caracterstica de losanteriores! los semiconductores. Su caracterstica principal es la de conducir la corriente slo bajodeterminadas circunstancias! y evitar el paso de ella en otras.Es! precisamente! en este tipo de materiales en los *ue la electrnica de estado slida est basada. Laestructura atmica de dicos materiales presenta una caracterstica comn= est formada por tomostetravalentes >es decir! con cuatro electrones en su ltima rbita?! por lo *ue les es fcil ganar cuatro operder cuatro.

Semiconductoresun semiconductor es un componente *ue no es directamente un conductor de corriente! pero tampoco es unaislante. En un conductor la corriente es debida al movimiento de las cargas negativas >electrones?. En lossemiconductores se producen corrientes producidas por el movimiento de electrones como de las cargas

positivas >uecos?. Los semiconductores son a*uellos elementos pertenecientes al grupo iv de la tablaperidica >silicio! germanio! etc. /eneralmente a estos se le introducen tomos de otros elementos!denominados impure$as! de forma *ue la corriente se deba primordialmente a los electrones o a los uecos!dependiendo de la impure$a introducida. @tra caracterstica *ue los diferencia se refiere a su resistividad!estando sta comprendida entre la de los metales y la de los aislantes.a temperatura ambiente por ejemplo? ciertos electronesad*uieren suficiente energa para romper el enlace del *ue forman parte y 0saltar0 al siguiente orbital. Estoprovoca la formacin de un espacio vaco! *ue por carencia de electrones! posee carga positiva! a esteespacio se lo denomina ueco.El aumento de temperatura rompe algunas uniones entre tomos liberndose un cierto nmero deelectrones.En cambio! a la temperatura ambiente >7,A76 grados c.? )lgunas de las fuertes uniones entre los tomos serompen debido al calentamiento del semiconductor y como consecuencia de ello algunos de los electrones

pasan a ser libres. En la figura siguiente se representa esta situacin. La ausencia del electrn *ueperteneca a la unin de dos tomos de silicio se representa por un crculo!la forma en *ue los uecos

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contribuyen a la corriente! se detalla seguidamente cuando un electrn puede vencer la fuer$a *ue lemantiene ligado al ncleo y por tanto abandona su posicin! aparece un ueco! y le resulta relativamentefcil al electrn del tomo vecino dejar su lugar para llenar este ueco.Este electrn *ue deja su sitio para llenar un ueco! deja a su ve$ otro ueco en su posicin inicial! de estamanera el ueco contribuye a la corriente lo mismo *ue el electrn! con una trayectoria de sentido opuesto ala de ste.

Niveles de energa

Bn cristal est formado por un conjunto de tomos muy prximos entre s dispuestos espacialmente deforma ordenada de acuerdo con un determinado patrn geomtrico. La gran proximidad entre los tomos delcristal ace *ue los electrones de su ltima capa sufran la interaccin de los tomos vecinos.El nivel energtico de cada uno de estos electrones puede estar situado en la 0banda de valencia0 o en la0banda deconduccin0 del cristal. Bn electrn *ue ocupe un nivel dentro de la banda de valencia est ligado a untomo del cristal y no puede moverse libremente por l mientras *ue si el nivel ocupado pertenece a la

banda de conduccin! el electrn puede moverse libremente por todo el cristal! pudiendo formar parte deuna corriente elctrica.Entre la banda de :alencia y la de conduccin existe una 0banda proibida0! cuyos niveles no pueden serocupados por ningn electrn del cristal. Segn la magnitud de esta banda! los cristales pueden clasificarseen aislantes! conductores y semiconductores.)islantes.La magnitud de la banda proibida es muy grande > + ev ?! de forma *ue todos los electrones del cristal seencuentran en la banda de valencia incluso a altas temperaturas por lo *ue! al no existir portadores de cargalibres! la conductividad elctrica del cristal es nula.Bn ejemplo es el diamante.

Conductores(o existe banda proibida! estando solapadas las bandas de valencia y conduccin. Esto ace *ue siempreaya electrones en la banda de conduccin! por lo *ue su conductividad es muy elevada. Estaconductividad disminuye lentamente al aumentar la temperatura! por efecto de las vibraciones de los tomosde la red cristalina.Bn ejemplo son todos los metales.Semiconductores.La magnitud de la banda proibida es pe*ue#a > 4 ev ?! de forma *ue a bajas temperaturas son aislantes!pero conforme aumenta la temperatura algunos electrones van alcan$ando niveles de energa dentro de labanda de conduccin! aumentando la conductividad. @tra forma de aumentar la conductividad es a#adiendoimpure$as *ue abiliten niveles de energa dentro de la banda proibida.El germanio y el silicio son semiconductores.)ceptadores y donadores

se denomina semiconductor puro a*ul en *ue los tomos *ue lo constituyen son todos del mismo tipo >porejemplo de germanio?! es decir no tiene ninguna clase de impure$a.Si a un semiconductor puro como el silicio o el germanio! se le a#ade una pe*ue#a cantidad de tomosdistintos >por ejemplo arsnico! fsforo! etc?. Se transforma en un semiconductor impuro.) las impure$as se las clasifica en donadoras y aceptadoras.Si a la estructura del semiconductor de silicio se le a#ade alguna impure$a! como puede ser el arsnico>as?! *ue tiene cinco electrones externos ligados al ncleo con carga positiva C6! se obtiene la forma *ue semuestra en la figura.

Ley de Jouley

Se conoce como e,ecto -ouleal fenmeno por el cual si en un conductor circula corriente elctrica! parte dela energa cintica de los electrones se transforma en calor debido a los co*ues *ue sufren con los tomos



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del material conductor por el *ue circulan! elevando la temperatura del mismo. El nombre es en onor a sudescubridor! el fsico britnico james prescott joule.El movimiento de los electrones en un cable es desordenado! esto provoca continuos co*ues entre ellos ycomo consecuencia un aumento de la temperatura en el propio cable.

&ediante la ley de joule podemos determinar la cantidad de calor *ue es capa$ de entregar una resistencia!

esta cantidad de calor depender de la intensidad de corriente *ue por ella circule y de la cantidad detiempo *ue est conectada! luego podemos enunciar la ley de joule diciendo *ue la cantidad de calordesprendido por una resistencia es directamente proporcional a la intensidad de corriente a la diferencia depotencial y al tiempo.Los slidos tienen generalmente una estructura cristalina! ocupando los tomos o molculas los vrtices delas celdas unitarias! y a veces tambin el centro de la celda o de sus caras. -uando el cristal es sometido auna diferencia de potencial! los electrones son impulsados por el campo elctrico a travs del slidodebiendo en su recorrido atravesar la intrincada red de tomos *ue lo forma. En su camino! los electronescocan con estos tomos perdiendo parte de su energa cintica! *ue es cedida en forma de calor.

La ley de Ohm

La ley de ohmestablece *ue la intensidad elctrica *ue circula entre dos puntos de un circuito elctrico esdirectamente proporcional a la tensin elctrica entre dicos puntos! existiendo una constante deproporcionalidad entre estas dos magnitudes. e?! en volt >v?.Dintensidad de la corriente >i?! en ampere >a? o sus submltipos.Dresistencia >r? de la carga o consumidor conectado al circuito en om >?! o sus mltiplos.

En enero de 454! antes del trabajo de georg om! enry cavendis experiment con botellas de leyden ytubos de vidrio de diferente dimetro y longitud llenados con una solucin salina. -omo no contaba con losinstrumentos adecuados! cavendis calculaba la corriente de forma directa= se someta a ella y calculaba suintensidad por el dolor. -avendis escribi *ue la 0velocidad0 >corriente? variaba directamente por el 0gradode electrificacin0 >tensin?. Fl no public sus resultados a otros cientficos a tiempo! y sus resultados fuerondesconocidas asta *ue maxwell los public en 45G.En 476 y 47+! om i$o su trabajo sobre las resistencias! y public sus resultados en 475 en el libro diegalvanische kette, mathematisch bearbeitet>trabajos matemticos sobre los circuitos elctricos?. Suinspiracin la obtuvo del trabajo de la explicacin terica de fourier sobre la conduccin del calor.En sus experimentos! inicialmente us pilas voltaicas! pero posteriormente us un termopar ya *ue esteprovea una fuente de tensin con una resistencia interna y diferencia de potencial casi constante. Bs ungalvanmetro para medir la corriente! y se dio cuenta de *ue la tensin de las terminales del termopar era

proporcional a su temperatura. Entonces agreg cables de prueba de diferente largo! dimetro y materialpara completar el circuito

Circuito elctrico

Bn circuito elctrico es un conjunto de elementos *ue unidos de forma adecuada permiten el paso deelectrones.Est compuesto por=

/enerador o acumulador. Hilo conductor.

Ieceptor o consumidor. Elemento de maniobra.



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El sentido real de la corriente va del polo negativo al positivo. Sin embargo! en los primeros estudios seconsider al revs! por ello cuando resolvamos problemas siempre consideraremos *ue el sentido de lacorriente elctrica ir del polo positivo al negativo

9ara decir *ue existe un circuito elctrico cual*uiera! es necesario disponer siempre de trescomponentes o elementos fundamentales=

4. Bna fuente ede fuer$a electromotri$ >fem?! *ue suministre la energa elctrica necesaria envolt.

7. El flujo de una intensidad ide corriente de electrones en amere.8. Existencia de una resistencia o carga r en ohm! conectada al circuito! *ue consuma la

energa *ue proporciona la fuente de fuer$a electromotri$ y la transforme en energa til! comopuede ser! encender una lmpara! proporcionar fro o calor! poner en movimiento un motor!amplificar sonidos por un altavo$! reproducir imgenes en una pantalla! etc.

Si no se cuentan con esos tres componentes! no se puede decir *ue exista un circuito elctrico.Los circuitos pueden ser simples! como el de una bombilla de alumbrado o complejo como los *ue empleanlos dispositivos electrnicos.El funcionamiento de un circuito elctrico es siempre el mismo ya sea ste simple o complejo. El voltaje!

tensin o diferencia de potencial >v? *ue suministra la fuente de fuer$a electromotri$ >fem? a un circuito secaracteri$a por tener normalmente un valor fijo. En dependencia de la mayor o menor resistencia en om >

? *ue encuentre el flujo de corriente de electrones al recorrer el circuito! as ser su intensidad en ampere>a?.

Conclusin

En este trabajo emos tratado de anali$ar los conceptos de lo *ue significa circuito elctrico! sobre cmofunciona este y cada una de sus partes. Logramos entender y aprender la importancia y el cuidado de este eidentificar cada una de sus partes y como se produce un circuito.

'+-etivosEste trabajo se reali$o con el fin de ad*uirir nuevos temas relacionados con la electricidad y la tecnologa;obteniendo como resultado nuevos conocimientos sobre el circuito ertrico; comen$ando por *ue un circuitoelctrico es una combinacin de elementos conectados entre si! *ue generan y transporta electricidad!Jue podamos entender y aprender los puntos ms importantes del circuito elctrico como= 9ara *ue sirve este circuito 9or *ue esta formado Kdentificar para *ue sirve cada parte y cada elemento de este. En *ue se clasifica -uando una corriente es alterna o continua.

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)utor=Francisco Perez [email protected]

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