Teoria
1.- INTRODUCCION. CONSTITUCION DE LA MATERIA
Para entenderla electricidad y la electrónica hay que conocer la estructura de la materia; los fe- nómenos eléctricos y electrónicosse deben a movimientos de partículas diminutas dentrode los materia- les.
Cualquier material está constituido por una gran cantidad de elementos infinitamente pequeños que llamamos átomos. El átomo de hierro es distinto que el del cobre, por eso tienen diferentes características.
|
EL ATOMO esla partícula más pequeñade un elemento, que conservalas características propias de éste. El átomo, en general,está constituido de forma similar a un sistema planetario en miniatura: enél existen una serie de partículas llamadas protones, agrupadas en su núcleo, alrededor del cual giran otras partículas diferentes, llamadas electrones, en órbitas más o menos elípticas y a distancias variables del centro.
Se llama núcleo al centro, donde se agrupan los protones y otro tipo de partículas, que no son de interés para el estudio de la teoría electrónica, al menosen este nivel.
Para distinguir los protones de los electrones, a los primeros se les ha marcado con el signo + y a los segundos con el -.
«En cualquier átomo el número de protones es igual al total de electrones.»
1.1- DISTRIBUCION DE LOS ELECTRONES EN LAS ORBITAS
Cada órbita,según su orden de proximidad al núcleo, tieneuna capacidad máxima de contener electrones.
Así, por ejemplo: La diferencia fundamental de los cuerpos simples o elementos que se conocen en la naturaleza y que son unos 100, estriba precisamente en su número atómico, que indica el númerode electrones (igual al de protones) que tiene cada elemento. Existe una tabla en la que se han ordenado todos los elementos según su número de electrones. El hidrógeno ocupa elprimer puesto de la tabla, pues sólo tiene un protón en el núcleo y un electrón en la envoltura; el helio es el segundo, con 2 electrones y 2 protones; el litio el tercero, etc...
• La 1ª órbita, llamada K, la más cercana al
núcleo, no puede contener más de 2 electro- nes.
• La 2ª órbita, llamada L, puede contener como
|
máximo 8 electrones.
• La 3ª órbita, llamada M, puede tener hasta 18 electrones. La
4ª órbita, llamada N, puede tener hasta 32 electrones.
La cantidad máxima de electrones viene dada por la fórmula
2xn2, siendo n el número de órbita.
La fuerza de atracción explicapor qué los electrones, al girarcon gran velocidad alrededor del núcleo,no se salen de las
órbitas: la fuerzade atracción que los protones del núcleo ejercen sobre los electronesanula la fuerza centrífuga que trata desacarlos de la órbita.Sin embargo, si enfrentamos a dos protones, éstos se repelen,y otro tanto ocurre si enfrentamos a doselectrones.
En resumen, entre un protón (partícula que está en el centro del átomo) y un electrón(partícula que gira alrededordel centro) hay una fuerza de atracción: Entre dos protones o dos electrones la fuer- za es de repulsión.
Así, en un átomo como el Si (silicio), con 14 electrones y 14 protones, los electrones van distri- buyéndose en las órbitas por orden, es decir, primero llenan con 2 electrones la órbita K, luego con 8 la L, y los 4 que quedan pasan a la órbita M.
1.2.-CARGA ELECTRICA
Si pudiéramos colocar un protón frente a un electrón, veríamos que se acercarían entresí rápi- damente. Estonos indica que entre las dos partículas existe una fuerza de atracción invisible.
Si al colocar frente a un protón unelectrón aparece una fuerza de atracción y al colocarotro
|
protón la fuerza es de repulsión,es porque tanto uno como otro tienen una propiedad que se llamó «car- ga eléctrica», y que por su actuaciónanterior deben ser distintas. Comola propiedad especial de un pro- tón es distinta a la del electrón las vamos a llamar de distinta
|
manera: el protón tendrá una carga eléctrica «positiva» y el electrón una carga eléctrica «negativa».
El nombre de positivo o negativo es de elección totalmente arbitraria y podríamos haberlos distinguido con otro apelativo.
Cargas del mismo signo se repelen y cargas designo contrario se atraen.
1.2.1.- Átomo neutro.En estado normal, un átomo tiene una cantidad total de electrones igual a la de protones.
|
En estas condiciones, el estado del átomo se dice que es neutroy no será capazde atraer ni repeler a un electrón o a un protón colocadoen sus inmediaciones. En efecto, supongamos que colocamos un electróncerca del átomo: los protones del átomo
tenderán a atraerlo, pero sus electrones tenderán a repelerlo. Como tiene igual número de unos que de otros, las fuerzas de atracción quedarán com- pensadas y anuladas por las de repulsión.
|
Como un átomo en. estado neutro (igual número de electrones que de protones) no atrae ni repele, se dice que su carga total,o sea, la suma de las positivas de los protones y las negativas de los electrones, es cero o nula. Recuérdese que se llama carga eléctrica a la propiedad de ejercer fuerzas de atracción o repulsión.
1.2.2.- Átomo con carga. Si a un átomo en estado neutro le quitamos un cierto número de elec- trones, será capaz de atraer a un electrón colocadoen sus cercanías, porque al tener un exceso de proto- nes las fuerzas de atracción de éstos sobre el electrón, que colocamos en su proximidad, supera la fuerza de repulsión de los electrones.
A este tipo de átomos se les dice que tienen carga positiva, tanto mayor cuantos protones existan más que electrones.En realidad ya no son átomos puros y reciben el nombre de iones.
Como es lógico, los electrones de la última órbita son los que pueden escapar más fácilmente del átomo, por ser los más alejados del núcleo con protones. Estos electrones capaces de escaparse de la última órbita del átomo reciben el nombre, al igualque dicha órbita,de «valencia».
|
Otra posibilidad es que pasen a la última órbitaelectrones libresy el átomo contenga más de éstos queprotones.
En resumen: Un átomo al que se le ha quitado un número determinado dé electrones queda cargado positivamente, a causa de un exceso de protones.
Si le añadimos electrones a los que en estado neutro le corresponden la carga del átomo sería negativa, al tener exceso de electrones.
|
|
La carga se mide por el número de electrones que un cuerpo tiene de más o de menos comparado con el número de protones.
1.3.-LEY DE COULOMB
La fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos viene expresada por la siguiente fórmula:
Siendo F, la fuerza;Q1 y Q2, las cargas de los dos cuerpos; d, la distanciaentre ellos, y K, un número que depende de dónde estén
|
colocados los átomos, o sea, del medio ambiente y el sistema de unidades empleado, y que se llama constante de propor-
cionalidad.
1.3.1.-Unidad de carga
La carga de un cuerpo se mide por el número de electrones o protones que tiene en exceso.
1) Se puede considerar la carga de un electrón como la menor cantidad de carga negativaque pue- de existir y la carga de un protón como la menor cantidad de carga positivaque puede existir.
Como generalmente este número es muy grande, habría que usar cifras del orden de los billones. Para operar con números más pequeños, se usa como unidad de carga el culombio, siendo un culombio aproximadamente igual a 6 trillones de electrones:
1 culombio (C) = 6.230.000.000.000.000.000 =6,23 • 1018 electrones.
2.- LA ELECTRICIDAD
|
En un material conductor, como el cobre, existe una gran cantidad de átomos. Cada uno tiene sus protones y electrones, los electrones estándistribuidos en diferentes capas y girando alrededor del núcleo dedicho átomo.
Si, por alguna razón, una cierta cantidad de los elec- tronescitados se traslada de átomo en átomo a lo largo de todoel cuerpo, se genera lo que se conoce con el nombre de CORRIENTE ELÉCTRICA.
Se dice que por un hilo de material conductor circula una corriente eléctrica, cuando desde uno de sus extremos hasta el otro, y por su interior, hay un paso de electrones.
Supongamos que tenemos un hilo de materialconductor, formado por una gran cantidadde áto- mos, con un electrón en su órbitade valencia
Para simplificar el dibujo sólo se han representado cuatro de estos átomos con sus electrones de valencia. Entre los extremos del hilo se aplica a un extremo una fuerte carga positiva y al otro una negativa, como la que proporcionan los bornes de una pila.
La gran fuerza de atracción del positivo de la pila se lleva el electrón periférico del átomo N.° 1; al quedarse sin un electróneste átomo queda cargado positivamente y atrae y se lleva el electrón del átomo contiguo N.° 2, con lo que éste se carga positiva-mente y se lleva el electróndel átomo N.° 3; al quedar- se éste sin un electrón atrae al electróndel átomo N.° 4 y a éste se le aporta otro electrón por el negativo de la pila, que se puede decir que es el electrón que había entrado por el positivo, luego la pila no se queda con ningún electrón.
|
Estos saltos de los electrones de átomo en áto- mo es lis que se conoce por electricidad. Al final todos los átomos se quedan como al principio, con igual número de electrones: lo único que ha habido es un intercambio deelectrones entre los átomos.
2.1.- CONDUCTORES YAISLANTES
En el cobre es muy fácil poner en movimiento loselectrones de átomo en átomo de la última capa, pero hay otros cuerpos en los que es muy difícil. A losque dejan pasar fácilmente los electronesse les
llama cuerp os buenos conductores, porque oponen poca resistencia a su paso; a los que oponen mucha resistenciapara desplazarse los electrones, se les llama cuerpos malos conductores o aislan- tes. Son buenos conductorescasi todos los metales: cobre, hierro, oro, plata, etc...
|
El que más se suele usar para transportar la co- rriente de electrones, porsus buenas características eléc- tricas y relativamente bajo precio, es el cobre.
2.2.- CORRIENTE ELECTRICA Y ELECTRONICA
|
En realidad la corriente eléctrica es un movimiento de electrones, luego la electricidad o corriente eléctrica debe tener el mismo sentido queel que llevan los elec- trones.
Así, si los electrones van de derecha a izquierda, la electricidad también irá en el mismo sentido.Este sistema, sencillo y lógico es el que hemos adoptado, aunque en muchos libros a la corriente eléctrica se le ha dado el sentido contrario que a la electrónica, debido a que en un principio los antiguos científicos consideraron, equivocadamente, que no eran los
electrones los que se movían, sino los protones, y bastantes obras por no modificar este error, lo man- tienen.
En estos apuntes a la corriente eléctrica le damos el mismo sentido que a la electrónica, de negativo a po- sitivo. Advertimos este detalle para que no se tengan dificultades al consultar otros libros. Con frecuencia se habla de corriente “real”, refiriéndose ala corriente eléctónica, y “convencioanal”, la que considera que el mo- viendo es de positivo a negativo.
2.3.- CANTIDAD DE ELECTRICIDAD, CULOMBIO
|
Cuando queremos saberla cantidad de agua que circula por un tubo, medimos los litros que pa- san por él. Cuandodeseamos saber la electricidad quo pasa por un hilo de cobre, mediremos los elec- trones que lo atraviesan.
Sin embargo, hay una diferencia entre un caso y otro, y es que en el segundo la cantidad de electrones quepasa por el hilo es enormemente grande y corno es muy complicado ex- presar la corriente eléctricaen electrones, lo que se hace es expresarla en culombios, teniendo presenteque un culombio vale 6 trillones de electrones. De esta forma, en vez de decir un número muy eleva-do de electrones basta decir que pasan unospocos culombios, lo que resultamucho más cómodo.
2.3.1.- INTENSIDAD
Veamos un símil: Para saber el caudal que transporta una tubería, no basta decir que por ella pasan mil litros, hay que decir también el tiempo que han tardado en pasar. Suele expresarse el caudal por el número de litros que pasanpor segundo.
En electricidad, en vez de llamar a este dato caudal, lo designamos por intensidad o corriente y se- rá el númerode electrones (expresado en culombios) que pasan por segundo.
La intensidad se mide en amperios. Así, pues, cuando en un segundopasa un culombio, se dice quela corriente tiene una intensidad de un amperio, si pasan tres y medio culombioscada segundo, serán tres y medio amperios,y así sucesivamente.
(Amperios) I = Q (Culombios) / t (Segundos)
La intensidad en amperios se halla dividiendo el número de culombiosque han pasado, por el nú- merode segundos que han tardado,obteniendo el nº de culombios que han pasadoen un segundo.
En escrituratécnica siempre se indican los amperios con una A, que es su símbolo.
En electrónica el amperio es una unidad muy grande para las corrientes que normalmente hemos de controlar, por eso usamosuna unidad más pequeña llamada miliamperio yque se representamA, que es su milésima parte.
1 A=1.000 mA
1 mA = 0,001 A
De la fórmula mencionada anteriormente, se deduce la siguiente:
(Culombios) Q =I (Amperios) . t (segundos)
con la que se obtiene la cantidad de culombios que pasan por un conductor por el que circula una corriente de 1 Amperiosdurante un tiempo de t segundos.
3.- RESISTENCIAS
Resistencia de un cuerpo es la oposición que éste presenta al movimiento de electrones a su tra- vés,es decir, a la corriente eléctrica.
Así como la altura se mide en metros, el peso en kilogramos, etcétera, las resistencias se miden en unas unidades llamadas ohmios.
Es fácil de comprender que si por una tubería circulaagua, ésta pasará más fácilmente si dicha tu- bería es ancha quesi es estrecha. También pasará mejor el agua, si es corta que si es larga. Asimismo, si el interior de la tubería es lisa, presentará menos oposición que si es rugosa.
De la misma forma, un conductor eléctrico presentará menos resistencia al paso de la corriente si es grueso que si es delgado, si es corto que si es largo. El tipo de materialde que está constituido (equi- valente a la rugosidad de un tubería)tendrá influencia sobre la resistencia. Estoanterior se expresa me- diante la siguiente fórmula:
R= ρ(L/S)
En donde L es la longitud del cuerpo conductor, S la superficie que presentaal paso de la corriente y ρ un número que de-pende del tipo de material de que se trate, y se llama resistividad.
Vemos que cuanto mayor sea L, es decir el numerador, mayor es R, es decir el cociente,como ya sabíamos (a mayor longitud,mayor resistencia).
Cuanto mayor es S, o sea el denominador,menor es R (menor cociente), es decir: a mayor superfi- cie de paso de corriente, menor resistencia.
El valor que obtenemos aplicando la fórmula viene expresado en ohmios, que es la unidad funda- mental de la resistencia y se representa por la letra griega Ω.
La resistividad de algunos materiales usados en electrónica,ex- presada en ohmios*mm2/m es 0,0165 para la Plata, 0.0175 para el Co- bre, 0,13 el Hierro, 0,12 el Estaño y 0,029 el Aluminio.EJEMPLO
Calcular la resistencia de un cable de cobre de 100 metros de longitud y 2 milímetros de diámetro, sabiendoque la resistencia del cobrevale 0,0175 Q/m/mmZ.
1º) Para resolver el problema hay que aplicar la fórmula: R= ρ (L/S)
2.°) Hemos de calcular el valor de la sección S.
S= (πD2)/4
S=3,14*22/4
3.°) Sustituyendo valores en la fórmula:
R = 0,0175 100/3,14 = 0,55 Ω
|
3.1.- REPRESENTACIONDE UNA RESISTENCIA
Una resistencia se representa en un esquema como un rectángulo. Hay otros símbolos, pero éste es el más extendido.
3.2.-UNIDADES DE RESISTENCIA
La unidad fundamental es el ohmio (Ω). Así como el kilogramo tiene 1.000 gramos, el kilohmio, quese escribe KΩ, vale 1.000 ohmios.
2 K 5= 2500 Ω 1 KΩ = 1.000 Ω 10KΩ=10.000 Ω
12 KΩ=12.000 Ω
Hay otra unidad que es el megaohmio, que se representa MΩ. y vale un millón de ohmios.
|
1M Ω=1.000.000 Ω 1 M 2 = 1.200.000 Ω
10 M Ω =
10.000.000 Ω
3.3.- ASOCIACIÓN DE RESISTENCIAS.
3.3.1.- Resistencias en serie. Varias resistencias se diceque están en serie cuandovan unas detrásde otras.
|
La oposición al paso de la corrientede varias resistencias en serie es igual a la suma de la oposi- ción que presenta cada una de ellas, como es fácil de entender.
En el ejemplo de la figura hay 3 resistencias en serie, una de 10 Ω , otra de 20 Ω y una tercerade 5 Ω. La resistencia total será 10 + 20 + 5 = 35 Ω .
Esto quiere decir que se pueden sustituir varias resistenciasen serie por una sola, cuyo valor sea la sumade ellas.
3.3.2.-Resistencias en paralelo. Varias
|
resistenciasestán en paralelocuando tienen unidos los extremos en un mismo punto.
En la figura seobserva que los extremos de la izquierda de las resistencias están unidosen un punto, y lo mismo pasa con los extremos de la derecha. En este caso diremos que las tres resistencias de 2, 3 y 4 Q están en paralelo.
3.3.2.1.-Resistencia equivalente de varias en paralelo: caso de 2 resistencias. La resistencia equivalente de otras dos en paralelo se halla dividiendo el producto de ambas por su suma.
|
Rparalelo = (R1*R2)/(R1+R2)
Las dos resistencias de la figura están en paralelo; su efecto es el mismo que el de otra resistencia única de valor: R1//R2=
2//4= 1,33 Ω
Como regla práctica: «laresistencia equivalente de varias en paralelo es menor que la más pe- queñade ellas».
|
La intensidad que circula por cada resistencia puesta en paralelodepende del valor de su resisten- cia. Pasa igual que cuando una cañería se divide en dos: pa- sará más caudal de agua por la que presente menos resisten- cia, es decir, por la quesea más ancha y menos rugosa.
De los 6 A que llegan a la bifurcación de las dos re- sistencias en paralelo,parte se irán por una resistencia y par- te por la otra. La parte mayor corresponderá a la resistencia
menor, pues porella la corriente podrácircular mejor. Una vale 1 Q y la otra 2 Q, luego por una resisten- cia también pasará el doble de intensidad que por la otra. Por la resistencia de 2 Ω circularán 2 A y por la de1 Ω el resto, o sea, 4 A .
|
3.3.2.2.-Resistencia equivalente de varias en paralelo: caso gene- ral, más de 2 resistencias
En caso de que existan más de dos resistencias en paralelo, hay que aplicar la fórmula general. Si tenemos tres resistencias en paralelo, RI, R2 y R3, la resistencia equivalente de las tres, RTr, se despejará de la siguiente fórmula:
|
4.- LEY DE OHM
4.1.- TENSION DE UN CUERPO
Es la cantidad de carga eléctrica,positiva o nega- tiva (según que la cantidad de electrones sea menor o mayor que los protones), que tiene un cuerpo por unidad de volumen.
Como se ha definido la tensión,además de la car- gatotal eléctrica que posee un cuerpo,tiene en cuenta su
volumen. Así, dos cuerpos con igual carga pero con diferente volumen, no tienen la misma tensión.
La tensión o potencial de un cuerpo se mide en voltios (V) y puede tener carácter positivoo nega- tivo, según la carga eléctrica que predomine.
|
4.1.1.-diferencia de tensión,o diferencia de potencial
Es la diferencia entre las tensiones existentes entre dos cuerpos. Puede haber diferencia de poten- cial o tensión, no sólo entre dos cuerpos que estén cargados con cargas de distinto signo, sino también con cargas del mismo signo.
A la diferencia de tensión se la llama generalmente tensión o voltaje y es el dato que tendrá para nosotros verdadero interés. Al poner en contacto dos cuerpos a diferente potencial, el paso de electrones desde el polo negativo,al positivo que los atrae dependeúnicamente de la diferencia entro sus tensiones y no de los voltajes absolutos que puede tener cada cuerpo.
Una definición más rigurosa dela diferencia de potencial o voltaje existente entre dos puntos consiste en asemejar este concepto con el trabajo que es necesario realizar con la unidad de carga eléctrica, para trasladarla desde uno aotro punto, en sentido contrario a la dirección del campo eléctrico creado por ellos.
|
4.2.- LEY DE OHM
Veamos un ejemplo de lo que sucede con el aguacuando se comunican dos depósitos a diferente altura. El agua pasa del depósito demayor nivel al de menor, hasta que se igualan las alturas de los dos de- pósitos.
|
El caudal de agua que pasa de un depósito a otro será tanto mayor cuanto más diferencia de altura
haya entre los dos, pero, por otro lado, será tanto menor cuanto mayor sea la resistencia que opone a su paso la tubería,la cual será funcióndel diámetro y del material que la forme. En resumen, el caudal de agua que pasa entre los dos depósitos depende de modo «directamente» proporcional del desnivelentre sus alturas, e «inversamente» de la resistencia, que oponga la tubería que las une.
Si conectamos mediante un cable conductordos cuerpos con diferentes tensiones, el que sea más positivo atraerá electrones del otro. Aquí va a suceder lo mismo que en los depósitos de agua: que al pasar el agua, los niveles tienden a igualarse. En nuestro ejemplo eléctrico, al pasar electronesdesde el cuerpo negativo al positivo, el negativo va perdiendo carga negativa al cedersus electrones, mientrasque el otro, pierde carga positiva al irneutralizándose sus cargas positivascon las negativasque le llegan.
La cantidad de electronesque pasan de un cuerpo a otro, o sea, la intensidad, depende de la dife- rencia de voltajes de forma directamente proporcional (a más diferencia, mayor atracción y mayor circu- lación) e inversamente de la resistencia del cable que los comunica (a más resistencia, menos intensi- dad).Esto se expone mediantela Ley de Ohm, que dice así:
|
Siendo:
I: Intensidad de la corriente, en amperios. Va: Potencial o nivel eléctricodel punto a. Vb: Potencial o nivel eléctrico del punto b. R:Resistencia del conductor.
Si aumenta el numerador, o sea, la diferencia de potencial,crece el cociente, o sea, la intensidad, como ya sabemos que tiene que ocurrir. Si aumenta el denominador, o sea, la resistencia, disminuye el cociente (la intensidad).
La unidad de alturaal hablar de niveles de agua es el metro;la unidad de tensión o de potencial, el voltio. Cuando decimos que entre dos puntos hav una tensión de 120 voltios (se escribe120 V), quere- mos indicar que el punto demayor potencial tiene 120 unidades de potencial,o sea, 120 voltios más que el de menor potencial.
La unidad de resistencia es el ohmio. Por lo tanto, según la Ley de Ohm, para hallar la intensidad de una corriente que circula entre dos puntos, medida en amperios, se divide la tensión o caída de poten- cial entre dichos puntos, en voltios, por la resistencia del conductor que los une, en ohmios.
I (Amperios) =V (Voltios) /R (Ohmios)
De esta fórmula se desprenden otras dos:
• Conocida la intensidad que circula por un cuerpo y su resistencia, calcular el voltaje entre sus
extremos. Despejando de la fórmula anteriorse obtiene:
|
V=I x R
• La resistencia de un cuerpo sehalla dividiendo el voltaje que exis-
te entre los extremos de dicho cuerpo por la intensidad que circula por él. Se expresa:
R= V/I
Cualquier problema nos facilitará dos de los datos y pedirá el valor del tercero, para lo cual hay que usar una de las tres fórmulas que se derivan de la Ley de Ohm.
EJEMPLOS
1) Calcular la intensidad que circula entre dos puntos que tienen una diferenciade potencial de
100 V si el conductor que los une tiene una resistencia de 20 Ω.
I= V/R = 100 V / 20 Ω = 5 A
2) Calcular la tensión que existe entre los extremos de un cable que tiene de resistencia 50 Ω si
circula por él una intensidad de 2 A.
V= I. R V=2.50=100V.
|
3) Calcular la resistencia de un cuerpo por el que circulan 3 A si tiene entre extremos una caída de potencialde 30 V.
4) Aplicación de la Ley de Ohm a resistencias en serie.
EJEMPLO
Calcular la intensidad que pasa por tres resistencias colocadasen serie, de 10 Ω cada una, al
aplicar entre sus extremos una tensiónde 300 V.
Estas tres resistencias equivalen a una, cuyo valor es la suma de todas ellas.
|
Aplicando la Ley de Ohm, que nos resuelve I, queda: I= V/R=
300/30 =10 A
Es decir, que en el circuito original por cada una de las tres re- sistencias pasa la misma intensidad, o sea, 10 A.
Resumiendo: Por todas las resistencias en serie pasa la misma intensidad.5) Aplicación de la Ley de Ohm a resistencias en paralelo.
EJEMPLO
¿Qué intensidad pasa por cada una de las dos re- sistencias puestas en paralelo, de 2 y 4 0 respectiva- mente, al aplicarles una tensión de 8 V?
La tensión de una pila de 8 V se aplica entre los extremos de la resistenciade 2 0 y la de 4 0, luego ambas tienenentre sus extremos la misma tensión: la de la pila de 8 V
Como la resistencia de 2 Ω tiene 8 V entre sus extremos, la intensidad I que circula por ella será: I1=V/R = 8/2 = 4 A
También la resistencia de 4 Ω tiene 8 Ventre sus extremos.
I2=V/R = 8/4 = 2 A
Resumiendo: Las resistencias en paralelo tienen entre sus extremos la misma tensión,pero las in- tensidades que pasan por ellas son tanto mayores cuanto menor es su valor en ohmios.
En nuestroejemplo pasa el doble de intensidad por la resistencia que tiene la mitad de valor.
5.- CORRIENTE CONTINUA
|
Ya se ha explicado que la corriente eléctrica es el desplazamiento de electrones de un átomo al contiguo, fenómenorepetido a todo lo largo del conductor
de que se trate.
El paso de electrones a través de un cuerpo en el que existe diferencia de potencial entre sus extremos se representa de la siguiente forma:
Antiguamente se suponía que la corriente eléctrica estaba formadapor el movimientode las cargas eléctricas positivas, o sea, los protones, y la dirección resultabaser contraria a la que se ha mencionado.
|
En la actualidad se sabe perfectamente que el único movimiento posible entre las partículas de un átomo es el de los electrones.
5.1.-CORRIENTE CONTINUA
Corriente continua es el paso de electrones por un conductor siempre en el mismo sentido y conuna intensidadconstante a lo largo del tiempo.
Cuando decimos que por un conductor está pasando continuamente una intensidad de 3 A y en el mismo sentido, por ejemplo hacia la derecha, nos estamos refiriendo a una corriente continua.
Una corriente continua mantiene constantemente el mismo valor de la intensidad y el mismo sen-
tido.
5.2.-SIMIL HIDRÁULICO
|
Supongamos dos depósitos llenos de líquido, comunicadosentre sí por una tubería, a los que mantenemos continuamente al mismo nivel, por medio de una bomba que traslada el agua que llega al depósito de nivel inferior al otro, en la misma cantidad con que llega.
Si mantenemos constantes las alturas de los depósitos, el agua siempre pasará en igual cantidad, desde el depósito más alto al más pequeño.
Sucede lo mismo en electricidad:los electrones pasan del punto de tensión más negativo al de ten- sión positivo,debido a la atracción que sufren. Si se mantiene la diferencia de niveles de potencial, los electrones siempre irán del negativoal positivo en igual cantidad.
|
SI VA. y VB..SON INVARIABLES LA INTENSIDAD ELECTRONICA ES CONSTANTE
5.3.- GENERADORES DE CORRIENTE
Hemos visto cómo al unir dos depósitos a diferentes alturas de agua, ésta pasa del de mayor altura al de menor, pero este paso se interrumpirá en cuanto se igualan las alturas en los dos recipientes.
Para que el agua fluya sin interrupción, es necesario colocar una bomba, como vimos, en una de las figuras
precedentes. Esta bomba mantiene constantes las alturas mutuas de los dos depósitos.
|
Igualmente, para que fluya una corriente electrónica por un elemento hay que colocar un genera- dor eléctrico, que puede ser una pila, una batería,
una dinamo o un acumulador. En la figura siguien- te se ha colocado una pila con su símbolo (dos rayas ver- ticales,una mayor que otra) para mantener la diferencia de potencial entrelos dos
extremos de la resistencia.
Esta pila mantieneconstantes las alturas eléctricas, o sea, los potenciales delos puntos A y B, extremos del cuerpoconductor.
En la representación de la pila, el lado verticaldibujado más largo representa el polo positivo,o de mayor potencial,y el más cortoel de menor potencialo, de otra forma, el más negativo.
No interesa el potencial de cualquier punto considerado aisladamente; lo importantees conocer la diferencia de potencial entre dos puntos, ya que la corriente que pasa de uno a otro dependede dicha diferencia.
El sentido de la corrienteeléctrica, o de electrones, es siempre desde el punto de potencial nega- tivo hacia el positivo, que los atrae.
6.-POTENCIA ELECTRICA
Es la cantidad de trabajo por unidad de tiempo que puede desarrollar el paso de una corriente eléctrica.
|
La corriente eléctrica al pasar por una resistencia pura produce calor; al pasar por los bobinados de un motor, un movimiento mecánico; al pasar por una lámpara, luz, etc. Contodos estos ejemplos se comprueba la gran capacidad que tiene la energía eléctrica paratransformarse en otras formas de ener- gía: calorífica, mecánica, luminosa, etc.
La electricidad puede producirener-
gía de diferentes tipos y la cantidad que produzca por unidad de tiempo, que suele ser el segundo, es lo que se llama potencia.
6.1.- UNIDADES DE POTENCIA ELECTRICA
La unidad fundamental que mide la potencia desarrollada por un elemento es el vatio, que se re- presenta por el símbolo W.
El vatio es la potenciaque consume un elemento al que se le ha aplicado una tensión de 1 V y cir- culapor él una intensidad de 1 A.
Un kilovatio equivale a 1.000 W.: 1 KW = 1.000 W
Un milivatio equivale a la milésima parte de 1 W: 1 mW = 0,001 W
6.2.-CALCULO DE LA POTENCIA
|
La potencia desarrollada en una resistencia por una corriente eléctrica se obtiene por la siguiente fórmula general: P=V .I
En esta fórmula P es la potencia en vatios, V la diferencia de ten- sión en voltios entre extremos de la resistencia e I representa la intensi- dad medida en amperios.
la potencia depende de V,I y R
Partiendo de la fórmula anterior vamos a obtenerotras dos que también indican la potencia desarrollada por una corriente.
Sabemos por la Ley de Ohm I V = I • R I y sustituyendo este valor de V en la fórmula general de la potencia, tendremos: P = V I= I R I= 12 Rsiendo
P = Vatios, I = Amperiosy R = Ohmios
P= I2 R,
Todavía vamos a obtener una tercera fórmula de la potenciapartiendo de la general, aplicando ahora la Ley de Ohm
I = V/R Æ P= V I = V (V/R) = V2 / R Æ P= V2 / R
RESUMEN
Para obtener la potencia desarrollada en una resistencia por una corriente eléctricapodemos apli- car cualquiera de las tres fórmulas siguientes:
P = V x I Si se conocen la tensión y la intensidad. P= I2 R, Si se conocenla intensidad y la resistencia. P= V2 / R Si se conocen la tensión y la resistencia. EJERCICIO PRÁCTICO
|
NOTA: Para adquirir una resistencia no basta dar el valor que debe tener en ohmios; también hay que indicar el vataje que debe soportar, que se convierte en calor; y cuanto mayor sea éste, de mayor tamaño y .pre:.io será la resistencia adecuada que lo soporte.
Calcular el valor y el vataje de una resistencia que tiene apli- cados entre sus extremos una tensión de 20 V ycircula por ella una intensidad de 2 A.
1.°) De la Ley de Ohm sacamos el valor de la resistencia. A
R = Í = 22 = to 1,.
Pero con este valor sacado de 10 Q nohemos definido toda-
vía el tipo de resistencia que necesitamos, porquehay que conocer la potencia que se va a desarrollar, es decir, la cantidadde calor por segundo que se va a desprender en ella. Si la resistencia de 10 S? que colo- camos es de tamaño demasiado pequeño, el calor que se genera puede quemarla.
Hallaremos pues la potencia:
P=V I =20.2=40 vatios=40 W
Necesitamos una resistencia de 10 y de un tamaño físico tal que pueda disipar sin quemarse una potencia de por lo menos 40 W.
6.3.- EL COSTE DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA
Cuando un aparatoeléctrico consume una potencia de 1 KW = 1.000 W y lo tenemos funcionando durante 1 hora, se dice que ha gastadoo consumido 1 Kilovatio-hora, que se expresa1 KW-h.
Aproximadamente,y redondeando, el consumo de 1 KW-h cuesta 0,01 €.
Para calcular por lo tanto el coste de cualquierinstalación eléctrica, primero se calcula la potencia en KW y después se multiplica por las horas de funcionamiento: asíse obtienen los KW-h. Por último, se multiplicapor 0,01 € los KW-h para conseguirel precio total.
EJEMPLO
Calcular el coste que supone tener enchufado durante 6 horas un televisor que se conecta a una red de 125 V y consume 2 A. El KW-h cuesta 10 céntimos.
1.°) Cálculode la potencia.
P= V x I P=125.2=250 W
2.°) Pasamos la potencia a KW.
250 W = 0,25 KW
3.°) Buscamos los KW-h (KW x horas).
0,25 • 6 = 1,5KW-h
4.°) Se obtiene el costo,a 10 céntimos el KW-h.
1,5. 10 = 15 céntimos
PROBLEMAS
1.°) Calcularla potencia que consume una plancha que se conecta a 220 V y consume 3 A.
2.°) Calcular la potencia que consume un radio transistor que se alimentacon 6 V y tiene una re- sistencia de 600 Ω.
3.°) ¿Qué intensidad pasa por un fluorescente de 40 W instalado en una red de 125 V?
4.°) Calcular la resistencia interna de un aparato de radio que consume 200 mA y una potencia de 100 W.
5.°) Un amplificador estereofónico está conectado 8 horas y con-sume 150 W. ¿Cuánto cuesta ese tiempo de funcionamiento a 5 pesetasel KW-h?
6.°) Un magnetófono alimentado por una tensión de red de 220 V consume 500 mA. ¿Qué cuesta tenerlo funcionando 10 horas, si el KW-hora sale a 5 pesetas?
7.- CORRIENTE ALTERNA
Hasta ahora sólo hemos hablado de la «corriente continua», que es el paso de electronesa través de un cuerpo, siempre en el mismo sentidoy en la misma cantidad, es decir, manteniéndose constantes la dirección y el valorde la intensidad.
Sin embargo, notodas las corrientes eléctricas son de este tipo, como sucede con la que suminis- tran a casas e industriaslas empresas generadoras y distribuidoras de electricidad. La que tenemos en nuestro domicilio es «corriente alterna» y sus características son totalmentediferentes a las de la co- rriente continua que conocemos.
Laprincipal razón por la que nos llega esta corrientealterna, que explicaremos a continuación, se debe a la conveniencia de las compañías distribuidoras. Normalmente, el centro productor de electricidad estará emplazado a bastantes kilómetros de los centrosconsumidores.
Por tanto, las redes que transportan la electricidad de donde se produce a donde se consume son muy largas y, dadas las grandes potencias que se precisan en la actualidad, el grosor de los cables de dichostendidos es grande,lo que origina un coste enorme en cobre y en obras de ingeniería para la sus- tentación de los postesy torres metálicas que sostienen los mencionados cables.
Cuanto menor es la intensidad que pasa por estos tendidosque transportan la energía eléctrica, se obtiene una doble reducción:
1.a) El diámetro de los cableses menor y también el pesototal.
2.a)El calor que se disipa en dicho transporte también se reduce por ser proporcional a Iz .R.
|
Por estas razones, las compañías suministradoras tratan de llevar la potenciaque se solicita hasta el usuario, haciendo pasar la mínima intensidad por los cablesdel recorrido.
Sideseamos transportar 1 W por una líneacuya tensión es 1 V, la intensidad necesaria es 1 A. En cambio, si la línea estuviese a una tensiónde 2 V, la intensidad precisa sería sólo de 0,5 A.
Hay líneas cuya tensión supera el millón de voltios, con lo que se reduce notablemente la intensidad, pero con tan elevadas tensiones no se puede entregarla energía al consumidor por el peligro que entraña. De aquí el interés de la corriente alterna. «Los transformadores, que sólo funcionan con corriente alterna y apenas
consumen energía, pueden elevar y reducir la tensión a los niveles que nos interese.» Se estudiarán en la lección de magnetismo.
RESUMEN
El interés de la c.a. (corrientealterna) estriba en que con ella funcionanlos transformadores,con los que se puede subiry bajar la tensión, cosa muy compleja con la c.c.
En la actualidad se genera y distribuye sólo corriente alterna.
7.1.- CORRIENTE ALTERNA(c.a.)
|
En c.a. la tensión e intensidad, partiendo de un valor nulo, aumentan hasta llegar a un máximo, luego disminuyen, se anulan nuevamente y, ahora con polaridado sentido contrario, llegan a un máximo, igual que el anterior,volviendo a disminuir hasta anularse, repitiendo este proceso indefinidamente.
|
Representaremos un generador de tensión de corrientealterna así:
Enlas figuras de la izquierda, dibujadas cada una al cabo de una
milésima de segundo, vemos las tensiones instantáneas que produce el generador.
Como se observa en el gráfico, la diferencia entre las tensiones representadas encima del eje horizontal y las trazadas por debajo indican el cambio de los polos en el generador. Supongamos que conectamos al generador mencionado un elementocuya resis- tencia sea de 1. Mientras los polos se mantengan en el generador en una posición,la intensidad circulará en un sentido,pero al cambiar también lo hará el sentido de la intensidad (figura de la derecha, siguiente).
7.2.- MAGNITUDES QUE DEFINEN UNA CORRIENTE ALTERNA:
Además de la tensión, una corriente alternahay que definirladiciendo además cuanto dura, esde- cir, cuanto tiempo transcurre hasta que vuelve a repetirse una onda completa. Para ello, vamos a definir dos nuevas magnitudes: ciclo y frecuencia.
|
Por otra parte, como su tensión varía a lo largo del tiempo, también definiremos una serie devalo- res de voltaje.
7.2.1.- CICLO. Se llama así a la parte de curva que se repite constantemente. Dicho de otra forma, una onda completa.
Un ciclo está formado por dos semiciclos
iguales, que paradistinguirlos entre sí se llaman positivoy negativo. Tanto el semiciclo positivocomo el negativo alcanzan el mismo valor máximo.
|
Un ciclo tiene 360°; medio ciclo o un semiciclo,180°; un cuarto de ciclo, 90°, etc.
7.2.2.- FRECUENCIA. La frecuencia de una corrientealterna es el número de ciclos que hay en un segundo.
EnEuropa la frecuencia de la c.a. que se distribuye suele ser en general de 50 ciclos por segundo, o 50 hercios, que se simbolizan por 50 Hz.
7.2.3.- PERIODOEsel tiempo T que dura un ciclo.
Si, por ejemplo, la frecuencia es de 50 Hz, un ciclo durará
1/50 segundos.
La frecuencia y el período están relacionadas por las siguientes fórmulas:
f= 1/T T = 1/f
7.2.4.- VALORMAXIMO DE UNA CORRIENTE ALTERNA
Es el mayor valor que se alcanza durante el ciclo de esa corriente.
7.2.5.- VALOR EFICAZ DE UNA CORRIENTE ALTERNA
Supongamos que una c.a. que circule por una determinada resistencia, en la que desarrolla la mis- mapotencia (cantidadde calor desprendido por segundo) que una c.c.de 3 A. Este valor eficaz, obtenido por comparaciónde una c.c. de efectos equivalentes, es el que se toma siempre en la prácticapara definir a una c.a.
Valor eficazde una c.a. es el que equivale a uno de c.c. que desarrolla la misma potencia.
Para calcular el valor eficaz conociendo el máximo se aplicanlas siguientes fórmulas:
I = Imax/1,41 V= Vmax/1,41
NOTA. Cuando en c.a. nos referimos al valor eficaz, no hacefalta decir que es el eficaz porque se sobreen- tiende. Luego cuando en c.a. no se diga nada de una magnitud, se dará porentendido que se trata del valor eficaz.
Conociendo el valor eficaz, el máximo se desprendede las siguientes fórmulas:
Imax = I x 1,41 Vmax = V x 1,41
El valor medio de una c.a. es el 63,7°o del valor máximo.
|
7.2.6.- COMPARACION DE DOS C.A. de igual frecuencia: FASE. Al comparar dos corrientes alternas de igual frecuenciano sólo hay que tener en cuenta su magnitud, que se expresa generalmente envalor eficaz, sino también el adelanto o retraso de fase entre ambas.
Las dos corrientes alternas representadas en la figura se diferencian:
1.°) El voltaje eficaz de la mayor es de
100 V y de la menor 10 V.
2.°) La tensión alterna de 10 V está retrasada 90° con respecto a la de 100 V.
Para poder hablar de fase entredos señales alternas, éstas deben ser de igual frecuencia.
Comentarios
Publicar un comentario