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Curso Básico de Electrónica - Lección 1 - Materia y energía - La naturaleza de la electricidad - Electricidad estática (CUR001S)

Lo que aprenderá

En esta lección aprenderá lo que es la electricidad, cómo se puede generar y utilizar. También veremos cómo la electricidad puede llevar transportar la energía y que es la corriente eléctrica. Para esto también se entiende lo que la energía es y cómo se puede llevar a cabo lo que se llama el trabajo, concepto muy importante en la física y la ingeniería. También aprenderemos cómo la electricidad puede ser medida y el concepto de tierra. Los elementos que componen esta lección teórica son:

 

Introducción

Los fenómenos eléctricos se han observado desde los primeros días del hombre, cuando todavía vivían en cuevas que había dibujado su atención por los rayos. Tal vez en este momento que la primera vez que utiliza indirectamente electricidad, aprovechando el incendio que provocó una descarga de palos que ha estado usando para la iluminación, la calefacción y la cocción de los alimentos.

En los miles de años siguientes, sin duda otras manifestaciones eléctricas llamaron la atención del hombre. Él debe haber notado que las chispas producidas cuando una piel de animal frotar un día seco, para limpiarlo e incluso debe haber tenido miedo de tocar objetos cargado de electricidad, recibiendo una buena descarga

Indirectamente algunos fenómenos eléctricos deben haber sido utilizado en las innovaciones tecnológicas de la época, pero sin sus usuarios saber exactamente lo que estaba pasando. Este es el caso de la batería Babilonia hace más de 4000 años que fueron utilizados en las obras de galvanoplastia. Ciertamente su construcción implicó un ritual para que se alcancen los poderes "mágicos".

El magnetismo fue descubierto en Magnesia a través de sus piedras-imán (magnetita), pero fue sólo después de un largo tiempo es que sus propiedades fueron explicados.

La electricidad como ciencia comenzó en la era moderna, con su producción artificialmente y luego explicaciones que culminaron en el siglo pasado con el conocimiento de la estructura de la materia, compuesta de átomos, y luego avanzaron con las teorías como la relatividad, la teoría cuántica hasta llegar a nuestra día, con los avances que se ocupará de su debido tiempo.

La unificación de la física y las nuevas teorías de supercuerdas y otros que comienzan a influir en los conceptos de muchos dispositivos electrónicos modernos debe ser parte de un curso moderno.

De hecho, huimos un poco de muchos de los conceptos de cursos electrónicos "viejos y obsoletos", comenzando desde el mismo punto en que todo el mundo debería ir, pero va más allá de lo necesario realmente profesional a conocer hoy.

 

1.1 - La materia

Para entender la naturaleza de la electricidad, primero debemos entender la naturaleza de la materia misma.

Todos los cuerpos que nos rodean están hechos de pequeñas partículas llamadas átomos. Los átomos están hechos de partículas aún más pequeñas que se organizan de una manera claramente definida.

Por lo general, representan el átomo, como se muestra en la Figura 1, en el que las partículas formadas son pequeñas esferas agrupadas en forma bien definida, como los primeros investigadores que pueden imaginar.

 

Figura 1 - Representación didáctica del átomo
Figura 1 - Representación didáctica del átomo

 

 

Hoy sabemos que esta representación no corresponde a la realidad, ya que las partes constituyentes de los átomos en realidad no tienen lo que llamamos forma, como veremos más adelante, pero por motivos de estudio, esta representación se ha adoptado en las escuelas por su aspecto educativo. Adoptaremos esta representación para mayor comodidad.

Estas partículas, llamadas electrones, protones y neutrones tienen propiedades que llaman "eléctrica". Están equipadas con cargas eléctricas y, por convención, se dice que las cargas de los electrones son negativas (-), mientras que las cargas de los protones se dicen positivas (+). Los neutrones no tienen carga eléctrica.

 

Propiedad:

Una propiedad fundamental de las cargas eléctricas, y siempre hay que recordar, es que las cargas del mismo signo (positivos o ambos negativos) se repelen entre sí y las cargas de signos opuestos (positivo y negativo) se atraen. La Figura 2 muestra esto.

 

Figura 2 – Cargas de mismo signos, si repelen y cargas de signos opuestos se atraen.
Figura 2 – Cargas de mismo signos, si repelen y cargas de signos opuestos se atraen.

 

 

La "cantidad" de la carga eléctrica que una partícula ha puede ser medida.

Encontramos entonces que la carga del electrón es exactamente la misma en cantidad que la del protón, aunque son de polaridades opuestas y el electrón y el protón tienen diferentes masas.

También se verifica que los electrones bajo ciertas condiciones, pueden ser retirados de los átomos en torno a los cuales giran y por lo tanto se mueven a través de los materiales, dando lugar a fenómenos especiales que son muy importantes para nuestros estudios y mismo de la existencia da ciencia electrónica, como veremos en los siguientes artículos.

Del mismo modo, podemos añadir electrones a un átomo e dotarlas de propiedades especiales, igualmente importantes para nuestros estudios.

 

2.2 - Energía

Un concepto muy importante en el estudio de la física y por consiguiente de la electricidad, que es una de sus ramas, es la energía.

Como se estudió en el artículo anterior, la materia está compuesta de átomos y que tiene la propiedad principal de ter masa y ocupar un lugar en el espacio. La masa de un objeto es lo que le da la propiedad que llamamos peso. El peso es la fuerza con que la tierra atrae a un objeto y que depende de su masa, como se muestra en la Figura 3.

 

Figura 3 - La fuerza con la que un objeto es atraído a la tierra es su peso
Figura 3 - La fuerza con la que un objeto es atraído a la tierra es su peso

 

La energía es otro concepto muy importante para la comprensión de los fenómenos eléctricos. No tenemos una definición de lo que es la energía, porque no se puede verla. Podemos decir que algo tiene energía cuando se tiene la capacidad de realizar un trabajo.

La energía almacenada en combustibles puede hacer un trabajo, que es mover un vehículo. La energía almacenada se utiliza en alimentos para el funcionamiento de nuestro cuerpo. La energía liberada en las reacciones químicas dentro de una célula eléctrica se utiliza para encender una lámpara o conducir un pequeño motor.

Vea la Figura 4 que, para mover un objeto desde un punto A hacia un punto B, corresponde a un trabajo, tenemos que gastar energía.

 

Figura 4 - El trabajo mide el gasto de energía para mover un cuerpo
Figura 4 - El trabajo mide el gasto de energía para mover un cuerpo

 

 

La energía es una magnitud física y como tal se puede medir. Más tarde, cuando estudiamos la energía involucrada en procesos eléctricos, vamos a ver cómo se hace esto.

 

Principio de Conservación de la Energía

Un principio muy importante, que a menudo se recordó a estudiar los fenómenos eléctricos, es la conservación de la energía. Este principio establece que la energía ni se crea ni se destruye, se conserva siempre.

Por lo tanto, cuando una batería alimenta una lámpara, la luz producida tiene la misma cantidad de energía que la batería se necesita para producirla. Del mismo modo, si usted tiene un amplificador, la cantidad de sonido obtenido (energía) es la misma que la cantidad de electricidad que consume cuando está enchufado.

En otras palabras, los procesos que estudio en electricidad, cantidad de esta energía es siempre la misma. Ella sólo tiene que ir de un tipo a otro, o sea, se convertirá.

Véase la figura 5 un ejemplo, en el que la energía química liberada dentro de la célula se transforma en energía eléctrica que alimenta a continuación, una lámpara para convertirse en energía luminosa (luz) y calor (calentar la lámpara). Si medimos la cantidad de luz y el calor producido por la lámpara veremos que es exactamente igual a la cantidad de energía liberada en el proceso químico dentro de la célula.

 

Figura 5 - Ejemplo de Conversión de Energía
Figura 5 - Ejemplo de Conversión de Energía

 

"En la naturaleza nada se crea, nada se pierde, todo se transforma" - Lavoisier (1743 - 1794)

 

Equivalencia Entre Materia y Energía

El trabajo de Einstein demostró que la materia y la energía son equivalentes. Podemos transformar la energía en materia y la materia en energía. La famosa fórmula de Einstein nos dice que podemos obtener una gran cantidad de energía a partir de una pequeña cantidad de la materia. De todos modos, la materia puede ser considerado como "energía concentrada".

E = mc2

Donde:

E es la energía,

m es la masa

C y el cuadrado de la velocidad de la luz o 300 000 000 000 x 300 000 000 000 metros por segundo (9 x 1022 m/s2)

Ahora el cuadrado de la velocidad de la luz es un número extremadamente grande, lo que significa que una pequeña cantidad de materia multiplicada por este número se traduce en una gran cantidad de energía.

La conversión de la materia en energía, que se utiliza en las plantas de energía nuclear, cuando un elemento se desintegre se convierte en parte de su masa en energía, se hace en este principio.

 

1.3 - La naturaleza de la Electricidad

El funcionamiento de cualquier dispositivo, dispositivo o aparato eléctrico, depende del movimiento de un "fluido" a través de sus partes. Este "fluido" existe como una corriente de partículas y recibe el nombre de "corriente eléctrica".

Cuando encendemos cualquier aparato o dispositivo más simple, como una lámpara, pequeñas entidades (que son tan pequeñas que no se pueden ver en cualquier forma) se mueven a través de los cables, que lleva la energía que es responsable de su funcionamiento.

El primer concepto importante que entonces debemos tener es la corriente eléctrica. La corriente eléctrica que pasa a través de los cables, las pistas de las placas de circuito impreso de dispositivos electrónicos es un pequeño flujo de entidades o partículas que tienen algo en la naturaleza que habitualmente se denomina "carga eléctrica". Estas partículas se denominan electrones y son tan pequeñas que pueden pasar fácilmente a través de los átomos de ciertos materiales.

Los electrones de hacen parte de los átomos y son, por convención, dotados de cargas negativas y están representados por el símbolo (-).

A diferencia de los protones que componen los átomos, pero están conectados firmemente a sus núcleos, los electrones tienen una cierta movilidad en ciertos materiales, que nos permite utilizar para la transmisión de energía. El mismo nombre de la ciencia, "Electricidad y Electrónica" (que recuerda de electrones), ya sugiere que vamos a utilizar este tipo de partículas para lograr nuestros propósitos. Vea la Figura 6.

 

Figura 6 - Los electrones pueden moverse a través de ciertos medios
Figura 6 - Los electrones pueden moverse a través de ciertos medios

 

Sustancias en la que los electrones pueden moverse fácilmente son los conductores. Los metales son buenos conductores, ya que en ellos los electrones pueden disfrutar de cierta libertad de movimiento, por lo tanto se utiliza para conducir la corriente eléctrica. Puesto que el vidrio, papel, mica y caucho son aislantes, es decir, sustancias que no permiten el movimiento de los electrones fácilmente.

Sin embargo, podemos proporcionar estos cuerpos de cargas, por la eliminación de los electrones de sus átomos o la adición de ellos. En estos casos, las cargas se "paradas" en el cuerpo, o estáticas, dan lugar a una rama de la electricidad llamada electrostática

Curiosamente, entre los conductores y los aislantes existen sustancias con propiedades intermedias, semiconductores, que son de enorme importancia para la electrónica

El hecho de que atribuimos al electrón una carga negativa es pura convención. No podemos verlo, simplemente tenemos que admitir que él tiene "algo" que le dota de ciertas propiedades que se aprovechan de los equipos eléctricos y electrónicos que usamos, y que estas propiedades son diferentes de otras partículas, como los protones.

 

1.4 - Electrostática

En los primeros días de la electricidad poco se sabía acerca de su naturaleza y comportamiento. Así que muchos de los estudios de los primeros tiempos se hacían con los cuerpos que acumulan cargas eléctricas, es decir, los cuerpos cargados.

Como estas cargas no se movieron en los cuerpos, excepto en ciertos momentos en los que se descargaron o de la carga, la electrostática tuvo una gran importancia en aquellos días.

 Con el tiempo, los fenómenos relacionados con las cargas en movimiento (dinámica) se tornaran mucho más importantes y por lo tanto la mayoría de la atención pasó e estar centrado en la electrodinámica.

 Hoy en día electrostática tuvo nuevamente gran importancia, ya que hay muchos componentes, dispositivos y aplicaciones que se basan en sus fenómenos, o están muy influenciados por ellos.

 

Electrización

La tendencia natural de los cuerpos es mantener un estado de neutralidad, es decir, un número igual de cargas positivas y negativas. Estas cargas son canceladas y, por tanto, ningún fenómeno eléctrico de naturaleza se puede manifestar.

  Esto significa que, en condiciones normales, los átomos de un cuerpo tienen el mismo número de protones (+) y electrones (-). La figura 7 representa un cuerpo neutro.

 

Figura 7 - cuerpo neutro - el mismo número de cargas positivas y negativas
Figura 7 - cuerpo neutro - el mismo número de cargas positivas y negativas

 

  En la práctica, sin embargo, no siempre los cuerpos son neutrales. Esto significa que los átomos de un cuerpo tanto pueden perder como ganar electrones, cuando están "cargados" o "electrizados".

 Cuando un cuerpo tiene un exceso de electrones (más electrones que protones), decimos que está electrizado negativamente o cargado negativamente. Cuando un cuerpo carece de electrones (electrones de menos de protones), decimos que está cargado positivamente. En la Figura 8 se muestran los dos casos.

 

Figura 8 – Cuerpos electrizados
Figura 8 – Cuerpos electrizados

 

  Básicamente podemos quitar o poner los electrones en los cuerpos o los electrizar en tres formas o en tres procesos:

a) Fricción: Cuando un exfoliamos un cuerpo en otro de manera que electrones de un pase a otro. Uno de ellos tiene falta de electrones (positivo) y lo otro exceso e electrones (negativo). Esto ocurre cuando un peine se frota en la ropa y se electrifica (+), para atraer pequeños trozos de papel.

  b) Contacto: cuando llegamos un cuerpo cargado en otra que no está cargado y con eso cede parte de su carga.

  c) Inducción: cuando la aproximación de un cuerpo cargado de otros neutros hace con que las cargas causas se muevan dentro de él, de modo que una parte se carga, y otra no.

  La Figura 9 muestra los tres procesos.

 

Figura 9 - Los tres procesos de electrificación
Figura 9 - Los tres procesos de electrificación

 

 

El ElectroscopioEl instrumento utilizado para ver si un cuerpo está cargado de electricidad o no (tiene una carga estática) es el electroscopio. La más antigua y sencilla versión, todavía se utiliza en las escuelas, es el electroscopio hoja se muestra en la Figura A.

 

 Figura A - Electroscopio hecho a mano - hojas de oro tiene una mayor flexibilidad que resulta en un electroscopio más sensible, pero en la práctica se puede utilizar el aluminio.
 Figura A - Electroscopio hecho a mano - hojas de oro tiene una mayor flexibilidad que resulta en un electroscopio más sensible, pero en la práctica se puede utilizar el aluminio.

  Está formado por un conductor de metal, donde hay una hoja de un metal muy maleable que se dobla fácilmente. El mejor para este propósito es oro, pero en las escuelas y montajes experimentales, se utiliza papel de aluminio muy delgado. Cuando un cuerpo cargado se acerca al electroscopio toca en su sensor, las palas llevan cargas con la misma polaridad y, por tanto manifiesta una repulsión. A continuación, "aben" lo que indica que el cuerpo está cargado, como se muestra en la figura B.

 

Figura B - Usando el electroscopio
Figura B - Usando el electroscopio

  Con la ayuda de la electrónica pueden ser montados electroscopios muy sensibles. En la web del autor de este libro, el lector encontrará proyectos prácticos.

 

Energía Eléctrica - la ley de Coulomb

  Se ha encontrado que los cuerpos cargados de la electricidad de la misma polaridad se repelen entre sí y provistos de cargas opuestas se atraen. Entre ellos se manifiesta una fuerza que depende de la cantidad de carga que tiene el cuerpo y la distancia entre ellos. La figura 10 muestra lo que sucede.

 

Figura 10 - fuerza entre cuerpos cargados
Figura 10 - fuerza entre cuerpos cargados

 

  La fuerza de atracción o repulsión que se manifiesta entre cuerpos cargados se determinó por primera vez por Coulomb, lo que resulta en una de las leyes más importantes de la electricidad, la Ley de Coulomb.

 

Charles Agustín de Coulomb (1736 - 1806)
Charles Agustín de Coulomb (1736 - 1806)

 

      

LEY DE COULOMB

Se observa que la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas de dimensiones reducidas (dichas puntuales) depende tanto de los valores de estas cargas, como la distancia que las separa. Como se muestra en la Figura 10, donde d es la distancia entre estas cargas y es d y q1, q2 son los valores de las cargas medidos en culombios (C). La fuerza que se manifiesta entre ellas (llamado F) se puede calcular por la fórmula.

F = Ko x [ (q1 x q2 ) / d2 ] (f 1.1)

Dónde:

No es una constante electrostática llamada constante del vacío Su valor es de 9 x 109 N. m2/C2

q1 y q2 son las cargas en Coulomb (C)

d es la distancia entre las cargas en metros

F es la fuerza (de atracción o repulsión) en Newton (N)

 

Tenga en cuenta que, de acuerdo con esta fórmula, la fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, lo que significa que si se duplica la separación entre dos cargas, la fuerza entre ellas (atracción o repulsión) se reduce a la cuarta parte, como se muestra la figura 11.

 

Figura 11 – Con la duplicación de la distancia  la fuerza se reduce a la cuarta parte de su valor
Figura 11 – Con la duplicación de la distancia la fuerza se reduce a la cuarta parte de su valor

 

Hemos observado otras fuerzas que se manifiestan en la naturaleza se comportan de la misma manera. Este es el caso de la fuerza de la gravedad y de la fuerza magnética.

 

Campo Eléctrico

Como hemos visto, una carga eléctrica produce alrededor de él una especie de perturbación o estado especial de espacio. Si ponemos en cualquier lugar donde se encuentre presente esta "alteración" una carga eléctrica, ella estará sujeta a una fuerza que tiende a moverla, como se muestra en la Figura 12.

 

Figura 12 – La carga es sometida a una fuerza eléctrica cuando se sumerge en un campo eléctrico
Figura 12 – La carga es sometida a una fuerza eléctrica cuando se sumerge en un campo eléctrico

 

 

  Para caracterizar este estado o situación dicen que alrededor de una carga o un cuerpo cargado existe un campo eléctrico.

   Este campo eléctrico se indica por la letra E se puede calcular en cualquier punto en el espacio alrededor de un punto de carga por la fórmula:

E = ko x ( Q / d2 )(f 1.2)

 

   Dónde: ko es el mismo bajo la fórmula anterior

             Q es la carga que produce el campo en Coulombs (C)

             d es la distancia entre las cargas en metros (m)

             E es la intensidad de campo en Newtons por Coulomb (N / C)

  Los efectos de la carga en el espacio, que actúan una sobre la otra, son estudiados por una rama de la física denominada electrostática. Cuando las cargas, por el contrario, se mueven ocurre la producción de efectos que son utilizados en la electrónica, la rama de la física que los estudia los llamada electrodinámica.

    Tanto electrostática y electrodinámica se pueden estudiar con un poco más de profundidad a través de los libros de física de los cursos de nivel medio.

   Los campos eléctricos están representados por líneas imaginarias, las líneas llamadas líneas de fuerza, como se muestra en la Figura 13.

 

Figura 13 - El campo de una carga puntual y un dipolo (dos cargas de polaridad opuesta)
Figura 13 - El campo de una carga puntual y un dipolo (dos cargas de polaridad opuesta)

 

    Las líneas de fuerza salen de las cargas positivas y llegan a las cargas negativas. En los puntos del espacio donde las líneas están más cerca (más densas), el campo es más intenso, o las fuerzas de naturaleza eléctrica se manifiesta con mayor intensidad.

   Como hemos visto, "soltar" cargas eléctricas en un campo eléctrico ellas estarán sujetas a una fuerza que las hace moverse. El movimiento de las cargas es siempre a lo largo de las líneas de fuerza en una dirección que depende de su polaridad, como se muestra en la Figura 14.

 

 Figura 14 - Las cargas se mueven a lo largo de las líneas de fuerza del campo eléctrico
 Figura 14 - Las cargas se mueven a lo largo de las líneas de fuerza del campo eléctrico

 

 

1.5 - La Electrostática en la Práctica

  Aunque muchos cursos de electricidad y la electrónica no se preocupan por la electrostática, que por lo general se contempló en la escuela secundaria en la electrónica de hoy en día, la importancia de los fenómenos eléctricos que implican cargas paradas está creciendo, por lo que es importante que verificamos donde está presente y cómo los fenómenos relacionados con ella se manifiestan.

   Los objetos que nos rodean pueden acumular electricidad, cargas tanto positivas como negativas, y estos cargas pueden ejercer influencias de todo tipo en las personas y en su propio equipo electrónico.

  Por ejemplo, el choque que tenemos a un picaporte o un coche es un ejemplo de lo que ocurre. La figura 15 muestra lo que sucede.

 

Figura 15 - descarga de electricidad acumulada en el cuerpo
Figura 15 - descarga de electricidad acumulada en el cuerpo

 

   Por otra parte, las cargas ambientales segundo se verifica, pueden tener influencia en nuestro bienestar. Se observa que en un ambiente donde las cargas positivas en exceso acumuladas sobre una alfombra, por ejemplo, pueden causar procesos alérgicos en las personas con las tendencias o incluso dolores de cabeza. Las cargas acumuladas en un coche hacen lo mismo.

   Pero más allá de eso, hay una buena cantidad de aparatos eléctricos y electrónicos tienen su principio de funcionamiento en base a las cargas estáticas.

    Uno de ellos es el filtro electrostático contra la contaminación que se muestra en la Figura 16. Las cargas acumuladas en una pantalla de un generador de alta tensión atraen partículas de contaminación que luego son atrapados y luego caen en un recipiente.

 

 Figura 16 - Un filtro electrostático
 Figura 16 - Un filtro electrostático

 

   Muchos de los componentes, que se estudiarán más adelante en este libro, funcionan basado en los principios de la electrostática como tubos de rayos catódicos de viejos televisores y osciloscopios, el transistor de efecto de campo (FET), transductores y muchos otros.

 

El efecto de las puntas

Se observa que si se carga un cuerpo, las cargas tienden a acumularse en las regiones de curvatura mayor, es decir, las puntas, como se muestra en la figura A.

 


 

Si el cuerpo tiene una punta, la acumulación de las cargas es tan pronunciada que la fuerza de repulsión que se manifiesta en la proximidad de la carga alcanza un valor suficientemente alto para permitir que las cargas escapen.

   Este efecto es explotado en la práctica para ayudar a descargar los cuerpos que tienden a acumular cargas. Una pequeña punta en la estructura de un avión, un coche o un camión de combustible ayuda a descargar las cargas que se acumulan en estas estructuras.

 

ESD - Descargas electrostáticas (Electrostatic Discharge) ESD es el nombre dado al fenómeno de las descargas eléctricas que pueden ocurrir cuando los cuerpos cargados de electricidad encuentran un medio de descarga. ESD es un problema muy serio, ya que puede afectar a los equipos electrónicos sensibles y por lo tanto debe ser evitado.
Lo que pasa es que cualquier cuerpo que está aislado del suelo puede acumular electricidad por los procesos de electrificación que estudiamos. Las cargas acumuladas pueden llegar a decenas de miles de voltios.
Una persona que camina sobre una alfombra aislante puede acumular en su cuerpo una carga de 10.000 voltios. Si esa persona toca componentes electrónicos sensibles, o incluso a los terminales de equipos sensibles, puede haber un daño irreversible a estos componentes o equipos.
Por lo tanto, precauciones especiales contra ESD son parte de todas las recomendaciones, tanto en lo manejo como instalación de componentes y equipos electrónicos. Conexión a tierra, malla de protección, el uso de materiales conductores de protección o antiestático son algunos ejemplos de la protección contra descargas electrostáticas.

 

Figura A - El uso de pulseras anti-estáticas conectadas a tierra
Figura A - El uso de pulseras anti-estáticas conectadas a tierra

 

1.6 – Conductores

   Como vimos al principio de esta lección, hay materiales llamados conductores en el que los electrones pueden moverse fácilmente.

  Estos materiales se pueden utilizar para transferir cargas desde un cuerpo a otro, cargando o transportando energía.

  Los materiales conductores tales como cobre, aluminio, plata y oro se utilizan para la fabricación de hilos conductores capaces de llevar cargas y por lo tanto la transferencia de energía de un lugar a otro por un flujo de electrones, llamada corriente eléctrica.

 

Corriente eléctrica  Definimos la corriente eléctrica como un movimiento ordenado de cargas eléctricas.

   Sabemos que las cargas eléctricas de la misma polaridad o signo se repelen entre sí, mientras que las cargas de distinto signo se atraen. Por lo tanto, un flujo de electrones, o una corriente, sólo si pueden establecer puntos con polaridades opuestas, como se muestra en la Figura 17. En ella tiene una ilustración que muestra que si las cargas dejan un cuerpo negativo para ir a un cuerpo cargado positivamente a través de un conductor en el que tenemos la cancelación o la neutralización de estos cargos.

 

Figura 17 - Obtención de corrientes de dos maneras diferentes
Figura 17 - Obtención de corrientes de dos maneras diferentes

 

   Pero esta no es la única condición en la cual podemos obtener una corriente eléctrica. Como se muestra en la misma figura, podemos tener un cuerpo más negativo que tiene una mayor concentración de cargas que otros. Las cargas tienden a fluir de una a otra hasta que los dos cuerpos permanecen a la misma concentración de carga.

    También podemos obtener una corriente si tenemos un cuerpo neutro (que no tiene ninguna carga, es decir, los electrones están presentes en el mismo número de protones, con el fin de cancelar sus efectos) y aprovechar este cuerpo, que está cargado positivamente o negativamente de modo que hay una diferencia en la condición eléctrica que provoca una corriente.

   Más formas de obtener las corrientes pueden ser citadas. Podemos tomar como ejemplo el caso en el que tenemos un cuerpo que se cargan con cargas de la misma polaridad (positiva o negativa), pero con "concentraciones" diferente, como se muestra en la Figura 18. En esta ilustración vemos las direcciones de las corrientes tomadas por las fuerzas que actúan sobre las cargas.

 

Figura 18 - El solo hecho de polaridades opuestas o diferentes niveles de cargas a las que se puede establecer una corriente
Figura 18 - El solo hecho de polaridades opuestas o diferentes niveles de cargas a las que se puede establecer una corriente

 

  Si tenemos un cuerpo en el que las cargas son más "presionadas", o tiendo una fuerza de repulsión más fuerte que el otro, en el que son menos "apretadas" e interconectamos estos cuerpos por medio de un alambre de metal, el resultado será la acción de fuerzas que causan un flujo de carga o corriente. Esta corriente fluirá hasta que ambos cuerpos alcancen el equilibrio, es decir, a concentraciones de cargas iguales.

   Veja entonces que para producir una corriente eléctrica es necesario que los dispositivos tenga dos polos, como se muestra en la Figura 19. Uno, negativo, tendrá exceso de electrones o cargas negativas (un cuerpo con una falta de electrones predominantemente protones, que son positiva, y así se dirá "cargado" positivamente).

 

Figura 19 - Un generador puede producir una corriente eléctrica, ya que tiene un cubo con una falta de electrones (+) y uno corto (-)
Figura 19 - Un generador puede producir una corriente eléctrica, ya que tiene un cubo con una falta de electrones (+) y uno corto (-)

 

   El estado de la concentración de la carga se manifiesta una fuerza de repulsión entre ellos, responsable del movimiento de las cargas cuando está conectado a un conductor. Este estado se llama "tensión" o "potencial eléctrico".

   Esto significa que una corriente sólo puede moverse entre dos cuerpos si están en diferentes tensiones, es decir, entre ellos hay una diferencia de potencial eléctrico (ddp abreviado).

   

Toma de tierra

   Como se ve, para haber una corriente entre dos cuerpos es necesario que uno de ellos tenga un exceso de electrones y lo otro falta o exista una concentración diferente de electrones entre ellos.

   En la práctica hay un cuerpo que tiene una cantidad ilimitada de electrones para dar y para recibir. Es la tierra.

   Por lo tanto, cualquier cuerpo cargado que está conectado a tierra, descarga, ya sea una carga positiva o negativa, como se muestra en la Figura 20.

 

Figura 20 - Independientemente de la polaridad mediante la conexión de un cuerpo cargado al suelo se descarga.
Figura 20 - Independientemente de la polaridad mediante la conexión de un cuerpo cargado al suelo se descarga.

 

Curiosidad:   En el siglo XVII, cuando los primeros fenómenos eléctricos no fueron bien explicados, se creía que la electricidad estática y corriente eléctrica causada por reacciones químicas o en contacto con metales y seres vivos eran diferentes. Por lo tanto, acuñó el término de galvanismo para explicar la electricidad animal, capaces de generar corriente con el fin de diferenciarla de la electrostática, para ellos, era otro tipo de electricidad.

 

1.7 - Voltaje y Corriente, Unidades

  En electricidad y electrónica, para comprender el funcionamiento de cualquiera de sus equipos es muy importante saber cómo medir los fenómenos porque podemos hacer predicciones y cálculos de ella. Lo que podemos medir en física se llama "grandeza". Son magnitudes distancias, volúmenes, temperaturas, fuerzas, cargas eléctricas, etc. Para cada uno de ellos ocupa una unidad establecida por una convención que se tradujo en el Sistema Internacional de Unidades, SI o, para abreviar.

  Por lo tanto, de la misma manera que podemos medir la fuerza entre cargas o el campo, es importante para medir la cantidad de cargas que pasan por un alambre, o la intensidad de corriente eléctrica.

   La unidad utilizada se llama Ampere, que se abrevia como A. Por otro lado, la fuerza o presión que aparece a través de la carga debido a su concentración en el cuerpo se mide en volts (abreviado como V) dado el nombre de "tensión".

  Incluso podemos hablar de la tensión y la diferencia de potencial (abreviado ddp) cuando se refiere a la concentración de cargas en un cuerpo y la diferencia de concentración entre dos cuerpos que produce la acción que es responsable pelo estabelecimiento de una corriente entre ellos.

  Así hay que recordar que para que fluya una corriente entre dos puntos o cuerpos debe haber una diferencia de potencial entre ellos, como se muestra en la Figura 21.

 

Figura 21- movimiento de los electrones que forman una corriente
Figura 21- movimiento de los electrones que forman una corriente

 

        Como hemos visto, la tierra actúa como un depósito gigante de cargas y puede recibirlas o proporcionarlas en cualquier cantidad. Cuando conectamos un cuerpo cargado a la tierra cargada inmediatamente se produce la descarga, independientemente de estar cargados positivamente o negativamente. Por definición, se dice que el potencial de tierra es 0 (cero) volts, o un potencial de referencia.

  El movimiento de la carga de un cuerpo a otro, o de un cuerpo a tierra (y viceversa) representa un gasto de energía. Por lo tanto, una corriente eléctrica siempre lleva energía.

  Un conductor eléctrico, no importa lo bueno, no es perfecto, lo que significa que para pasar, las cargas eléctricas tienen que hacer un esfuerzo. Este esfuerzo indica que la corriente eléctrica encuentra una cierta oposición o resistencia, y para ganarla, tiene que gastar energía.

   Nosotros decimos que el material del que se forma el conductor tiene una cierta resistencia eléctrica. La resistencia eléctrica se mide en ohms (? abreviado). La figura 22 muestra lo que sucede.

 

Figura 22 - Los electrones encuentran resistencia en el manejo de los materiales, gastar energía en forma de calor.
Figura 22 - Los electrones encuentran resistencia en el manejo de los materiales, gastar energía en forma de calor.

 

 

Resistencia eléctrica  Llamamos resistencia eléctrica a la oposición que una corriente eléctrica encuentra su paso.

  Cuanto mayor es la resistencia encontrada por la corriente eléctrica que pasa a través de un medio dado, menor es su intensidad. Hay, pues, una relación bien definida entre la intensidad de la corriente y la resistencia. Del mismo modo, cuanto mayor es la fuerza (voltaje) que "empuja" cargas a través de un conductor, mayor es la intensidad de la corriente.

   La relación entre estas tres magnitudes eléctricas es muy importante en muchos cálculos que implican corrientes, tensiones y resistencias. Esta relación será estudiada en detalle en la lección 3.

Recuerde:

Tensión - causa

Corriente - efecto

Resistencia - oposición que la corriente pasa a través de un medio

  Las tres cantidades que estudiamos, tensión, corriente y resistencia pueden medirse. Para ello tienen sus propias unidades adoptados internacionalmente por el SI (Sistema Internacional de Unidades). El lector debe tener mucho cuidado para saber cómo utilizar correctamente estas unidades.

 

Unidad de Tensión

  La tensión se mide en voltios (V). Es común múltiplos y submúltiplos de esta unidad.

Milivolt (mV) = 0,001 V = 10-3V

Microvolt (µV) = 0,000 001 = 10-6 V

Quilovolt (kV) = 1 000 V = 103 V

Megavolt (MV) = 1 000 000 V = 106 V

 

Unidad de corriente

   La intensidad de la corriente está dada por la cantidad de carga que pasa a través de un punto de un conductor en cada segundo. La intensidad de la corriente se mide en ampères (A), sino también se utilizan sus múltiplos y submúltiplos. Los más importantes son:

Nanoampère (nA) = 0,000 000 001 A = 10-9 A

Microampère (µA) = 0,000 001 A = 10-6 A

Miliampère (mA) = 0,001 A = 10-3 A

Kiloampère (kA) = 1 000 A = 103 A

 

 

 

Unidad de Resistencia

   La resistencia eléctrica se mide en ohmios (?). También utilizamos los múltiplos y submúltiplos:

Miliohms (m?) 10-3 = 0,001 ? = ?

Kilohm (K?) = 1000 ? 103 ? =

Megohm (m?) = un millón de ? = 106 ?

 

   Prefijos

  En física y electrónica es común el uso de prefijos griegos para indicar múltiplos y submúltiplos de las unidades utilizadas con las diversas magnitudes. La siguiente es una tabla, es conveniente que el estudiante memorizar por lo menos los principales.

Fator Prefixo Símbolo
1018 exa E
1015 peta P
1012 tera T
109 giga G
106 mega M
103 kilo k
102 hecto h
10 deca da
10-1 deci d
10-2 centi c
10-3 mili m
10-6 micro ?
10-9 nano n
10-12 pico p
10-15 femto f
10-18 atto a

 

 

Las lecciones de este curso son:

Lección 1 - Materia y energía, la naturaleza de la electricidad, la electricidad estática 

Lección 2 - Energía eléctrica, corriente y tensión, el circuito eléctrico 

Lección 3 - Resistencia eléctrica, resistores, Ley de Ohm, Ley de Joule 

Lección 4 - Tipos de generadores, rendimiento y ecuación del generador 

Lección 5 - Condensadores

Lección 6 - Magnetismo y electromagnetismo

Lección 7 - Corriente alterna

Lección 8 - Sonido y Acústica

Lección 9 - Ondas electromagnéticas

 

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