2. Electrónica. 2.1. Conductores y Aislantes. Conductores. Se

2. Electrónica.
2.1. Conductores y Aislantes.
Conductores.
Se produce una corriente eléctrica cuando los electrones libres se mueven a
partir de un átomo al siguiente. Los materiales que permiten que muchos
electrones se muevan libremente se llaman conductores. El cobre, la plata, el
aluminio, el cinc, el latón, y el hierro se consideran buenos conductores. El
cobre es el material más común usado para los conductores y es relativamente
barato.
Aislantes.
Los materiales que permiten pocos electrones libres se llaman los aisladores.
Los materiales tales como plástico, caucho, vidrio, mica, y de cerámica son
buenos aisladores.
Semiconductores
Los materiales del semiconductor, tales como silicio, se pueden utilizar para
fabricar los dispositivos que tienen características de conductores y de
aisladores. Muchos dispositivos de semiconductor actuarán como un conductor
cuando una fuerza externa se aplica en una dirección. Cuando la fuerza
externa se aplica en la dirección opuesta, el dispositivo de semiconductor
actuará como un aislador. Este principio es la base para los transistores, los
diodos, y otros dispositivos electrónicos de estado sólido.
2.2. Corriente, Voltaje y Resistencia.
Corriente.
La electricidad es el flujo de electrones libres en un conductor a partir de un
átomo al siguiente átomo en la misma dirección. Este flujo de electrones es
referido como corriente y es señalado por el símbolo “I”. Los electrones se
mueven a través de un conductor a diferentes promedios y la corriente eléctrica
tiene diferentes valores. La corriente es determinada por el número de
electrones que pasan en una sección representativa de un conductor en un
segundo. Debemos recordar que los átomos son muy pequeños.
Se necesitan alrededor 1.000.000.000.000.000.000.000.000 = ( 1x1024 )
átomos para llenar a un centímetro cúbico de un conductor de cobre. El intentar
medir incluso pequeños valores de la corriente daría lugar a un números
inimaginable grandes. Por esta razón la corriente se mide en amperios que se
abrevia como “Amps”. La letra “A” es el símbolo para los amperios. Una
corriente de un amperio significa que en un segundo cerca de 6.24 x 1018
electrones se mueven en una sección representativa del conductor. Es
importante, sin embargo, entender el concepto de flujo de corriente
Dirección del Flujo de Corriente.
Algunas autoridades distinguen entre el flujo del electrón y el flujo de corriente.
La teoría convencional del flujo de corriente ignora el flujo de electrones e
indica que la corriente fluye de positivo a la negativa. Para evitar la confusión,
utilizaremos el concepto de flujo del electrón que indica que los electrones
fluyen de negativo al positivo.
Voltaje.
La electricidad se puede comparar con agua que atraviesa una tubería. Se
requiere de una fuerza para conseguir que el agua pueda atravesar una
tubería. Esta fuerza viene de una bomba o por gravedad. El voltaje es la fuerza
que se aplica a un conductor para causar un flujo de corriente eléctrica.
Los electrones son negativos y son atraídos por las cargas positivas.
La fuerza requerida para hacer que la electricidad atraviese un conductor se
llama diferencia de potencial, fuerza electromotriz (emf), o voltaje. El voltaje es
señalado por la letra “E”, o la letra “V”. La unidad de medida para el voltaje es
voltios que también es señalado por la letra “V”
Símbolo de voltaje en circuitos.
Los terminales de una batería o alimentación son indicados simbólicamente en
un dibujo eléctrico por dos líneas. La línea más larga indica el terminal positivo.
La línea más corta indica el terminal negativo.
Resistencia.
Un tercer factor que desempeña un papel en un circuito eléctrico es la
resistencia. Todos los materiales impiden el flujo de corriente eléctrica hasta
un cierto punto. La cantidad de resistencia depende de la composición, de la
longitud, de la sección representativa y de la temperatura del material
resistente. En general, la resistencia de un conductor aumenta con un aumento
de la longitud o una disminución de la sección representativa del conductor. La
resistencia es señalada por el símbolo “R”. La unidad de medida para la
resistencia es el ohms (Ω).
Símbolo de la Resistencia en un Circuito.
La resistencia es indicada simbólicamente en un dibujo eléctrico por una de
las dos maneras. Un rectángulo sin llenar o una línea en zigzag.
2.3. La ley de Ohm.
Un circuito eléctrico simple.
Una relación fundamental existe entre la corriente, el voltaje, y la resistencia.
Un circuito eléctrico simple consiste en una fuente del voltaje, un cierto tipo de
carga, y un conductor para permitir que los electrones fluyan entre la fuente del
voltaje y la carga. En el circuito siguiente una batería proporciona la fuente del
voltaje, el alambre eléctrico se utiliza como conductor, y una luz proporciona la
resistencia. Un componente adicional se ha agregado a este circuito, un
interruptor. Debe haber una trayectoria completa para que la corriente fluya. Si
el interruptor está abierto, la trayectoria es incompleta y la luz no iluminará. El
cierre del interruptor completa la trayectoria, permitiendo que los electrones
salgan del terminal negativo y que atraviesen la luz hacia el terminal positivo.
El diagrama
siguiente es una representación de un circuito eléctrico,
consistiendo en una batería, un resistor, un voltímetro y un amperímetro. El
amperímetro, conectado en serie con el circuito, mostrará los flujos de
corriente en el circuito. El voltímetro, conectado a través de la fuente del
voltaje, mostrará el valor del voltaje suministrado de la batería. Antes de que un
análisis se pueda hacer de un circuito, necesitamos entender la ley de ohmio.
Ley de Ohm.
La relación entre la corriente, el voltaje y la resistencia fue estudiada en el siglo
XIX por el matemático alemán, George Simon Ohm. Ohm formuló una ley que
indica que la corriente varía directamente con el voltaje e inversamente con la
resistencia. De esta ley se deriva la fórmula siguiente:
I =
E
voltaje
o corriente =
R
resistencia
La ley de Ohm es la fórmula básica usada en todos los circuitos eléctricos. Los
diseñadores eléctricos deben decidir cuánto voltaje es necesario para una
carga dada, tal como computadoras, relojes, lámparas y motores. Las
decisiones se deben hacer considerando la relación de la corriente, del voltaje
y de la resistencia. Todo el diseño y análisis eléctricos comienza con la ley de
ohm. Hay tres maneras matemáticas de expresar la ley de ohm.
I =
E
E
; E =I ×R; R =
R
I
2.4. Circuitos en Serie y Paralelo con Corriente Directa.
Circuitos en Serie ( C.C.)
a) Resistencias:
Un circuito en serie en formado cuando un número de resistencias son
conectadas una tras otra de modo que haya solamente una trayectoria para
que fluya la corriente. Los resistores pueden ser los resistores reales u otros
dispositivos que tienen resistencia. La ilustración siguiente muestra a cuatro
resistencias conectadas en serie. La trayectoria de flujo de corriente desde el
terminal negativo de la batería pasa por la R4, R3, R2, R1 y vuelve al terminal
positivo.
El ejemplo siguiente muestra el cálculo de la resistencia total en un circuito
en serie.
b) Corriente.
La ecuación para la resistencia total en un circuito de serie permite que
simplifiquemos un circuito. Usando la ley de ohmio, el valor de la corriente
puede ser calculado. La corriente es igual dondequiera que se mide en un
circuito de serie.
c) Voltaje.
El voltaje se puede medir a través de cada uno de los resistores en un circuito.
El voltaje a través de un resistor es referido como caída de voltaje. Un físico
alemán, Gustavo Kirchhoff, formuló una ley que indica la suma de las caídas de
voltaje a través de las resistencias de un circuito cerrado es igual al voltaje
total aplicado al circuito. En la ilustración siguiente, cuatro resistores iguales del
valor de 1.5 Ω, cada uno se han colocado en serie con una batería de 12
voltios. La ley de ohmio se puede aplicar para demostrar que cada resistor
“caerá” una cantidad igual de voltaje.
Primero, resolviendo para determinar la resistencia total:
Segundo, resolviendo para la corriente,
Tercero, el voltaje en cada resistencia es:
Si el voltaje fuese medido a través de cualquier resistencia sola, el voltímetro
indicaría 3 (tres) voltios. Si el voltaje fuera leído a través de una combinación
de R3 y de R4 el voltímetro leería seis voltios. Si el voltaje fuera leído a través
de una combinación de R2, R3, y R4 el voltímetro leerían nueve voltios. Si las
caídas de voltaje de los cuatro resistores fueran agregadas juntas la suma
sería 12 voltios, igual al voltaje original de la batería.
Circuitos en Paralelo ( C.C.)
a) Resistencia.
Se forma un circuito paralelo cuando dos o más resistencias se ponen en un
circuito una al lado de otra, de modo que la corriente pueda atravesar más de
una trayectoria. La ilustración demuestra dos resistores colocados lado a lado.
Hay dos trayectorias de flujo actual. Una trayectoria es del terminal negativo de
la batería con R1 que vuelve al terminal positivo. La segunda trayectoria es del
terminal negativo de la batería con R2 que vuelve al terminal positivo de la
batería.
Formula para Resistencia Iguales.
Para determinar la resistencia total cuando los resistores tiene igual valor en
un circuito paralelo, utilice la fórmula siguiente:
RT =
Valor de una Resistencia
Número de Resistencias
En la siguiente figura se tienen tres resistencias de 15 Ω cada una. La
resistencia total es:
Formula para Resistencia de Distintos Valores.
Hay dos fórmulas para determinar la resistencia total en un circuito paralelo,
para los resistores de distinto valor. Se utiliza la primera fórmula cuando hay
más de dos resistores.
1
1
1
1
=
+
+..... +
RT
R1
R2
Rn
La siguiente figura, muestra un circuito con resistencia en paralelo, de
distintos valores, la resistencia total es:
La segunda formula es usada cuando solo se tiene dos resistencia.
RT =
R1 * R2
R1 + R2
En la figura se
distintos valores:
muestra
un circuito paralelo
con dos
resistencias de
b) Voltaje.
Cuando las resistencias se colocan paralelamente a través de una fuente
del voltaje, el voltaje es igual a través de cada resistencia. En la
ilustración siguiente tres resistencias se colocan paralelamente a través
de una batería de 12 voltios. Cada resistor tiene 12 voltios de disponible
a él.
c) Corriente.
La corriente que atraviesa un circuito paralelo divide y atraviesa cada
rama del circuito.
La corriente del total en un circuito paralelo es igual a la suma de la
corriente en cada rama. La fórmula siguiente se aplica a la corriente en
un circuito paralelo.
Flujo de Corriente en Circuito Paralelo con Resistencias de Igual valor.
Cuando resistencias iguales se ponen en un circuito paralelo, el flujo de
corriente es opuesto e igual en cada rama. En el circuito siguiente R1 y
R2 tienen igual valor. Si la corriente total ( It) es 10 amps, 5 amps
atravesarían R1 y 5 amps atravesarían R2
Flujo de Corriente en un Circuito Paralelo con Resistencias de Distinto
Valor.
Cuando se colocan resistencias de distintos valores en un circuito
paralelo, el flujo de corriente es opuesta, pero no es igual en cada rama.
La corriente es mayor a través de la trayectoria de menos resistencia. En
el circuito siguiente R1 es 40 Ω y R2 es de 20 Ω . La resistencia de
menor valor, genera una menor resistencia al flujo de corriente.
Usando la ley de Ohm, la corriente total en cada circuito se puede calcular
como:
También se puede calcular, calculando la resistencia total y luego aplicar
la ley de Ohm, para determinar la corriente
2.5. Potencia.
a) Trabajo.
Siempre que una fuerza de cualquier clase cause un movimiento, se
esta realizando trabajo. En la ilustración debajo el trabajo se hace
cuando una fuerza mecánica se utiliza para levantar un peso. Si una
fuerza fue ejercida sin causar el movimiento, entonces no se ha realizado
ningún trabajo.
b) Potencia Eléctrica.
En un circuito eléctrico, el voltaje aplicado a un conductor hará fluir
electrones. El voltaje es la fuerza y el flujo del electrón es el movimiento.
El rango en la cual se hace el trabajo se llama Potencia ( Power) y es
representada por el símbolo “P”. La potencia se mide en Watts,
representados por el símbolo “W”. En un circuito continuo, un Watts es el
promedio del trabajo que se hace en un circuito cuando 1 amps fluye
con 1 volt aplicado.
En un circuito C.C. , la potencia es el producto del voltaje por la corriente.
P =
E*I
Aplicando la ley de Ohm, también se puede obtener la potencia como:
P =I 2 R
o
P=
E2
R
Ejemplo en un Circuito de C.C.:
En la figura siguiente, la
expresiones de potencia.
potencia
puede
ser calculada
usando
la