Capitulo 1: Introducción

Transcripción

1 Capitulo 1: Introducción 1.1 Sistema Internacional de Unidades Para cuantificar una observación o fenómeno es necesario hacer uso de las unidades de medidas que representa la magnitud de dicha unidad fisica. El Sistema Internacional que asigna la unidad de medida de cada una de las variables fisicas se denomina Sistema Internacional de Medidas y es mundialmente aceptado. Las unidades que principalmente se utilizan en Ellectronica corresponden a: Fenómeno Unidad Símbolo Intensidad de Corriente ElectricaAmperes A Voltaje o Potencial Volts V Intensidad Luminosa Candela cd Frecuencia hertz Hz Energia Joule J Potencia watt W Cantidad de Carga Electrica Coulomb C Resistencia Electrica ohm Ω Capacidad Electrica Faradio F Flujo Electrico tesla T Prefijos utilizados en las unidades de medidas Los prefijos utilizados en las unidades de medida tienen como objetivo dimensionar de forma más fácil estas unidades de manera tal que el número asociado se más ráipidamente entendible o reconocible. Algunos de estos prefijos son los siguientes: Nombre del prefijo Factor de Multiplicación Símbolo Tera T 10 9 Giga G 10 6 Mega M 10 3 Kilo K 10-3 mili m 10-6 micro µ 10-9 nano n pico p 1.2 Mediciones Las Mediciones corresponden a efectuar una debida cuantización de las medidad fisicas involucradas, para la medición de las medidas eléctricas básicas, se aprendera en el curso como efectuar y a traves de que tipo de Instrumentos. 1

2 Capítulo 2: Electrostática 2.1 Carga Eléctrica Es una cantidad eléctrica que es una propiedad de las partículas atómicas, constitutivas de la materia. Como se sabe un átomo se encuentra constituido por un núcleo con carga positiva y su alrededor (según el modelo de Bohr) orbitan electrones quienes tienen asociada una carga negativa, lo anterior permite afirmar que en estado estable el átomo es eléctricamente neutro, por la compensación de carga, en caso contrario el átomo se denominará ión positivo o negativo si es mayor la carga positiva o negativa respectivamente. Cuando existe un balance entre cargas positivas y negativas, en una cantidad de materia dada, se dice que la materia está descargada o neutra. Cuando a una cantidad de materia se le retira electrones, el resultado es que la materia queda cargada positivamente, si la acción es al contrario, entonces la materia quedará negativamente cargada. La unidad de carga es el coulomb [C]. Un coulomb es la carga que se encuentra contenida en 6.24x1018 electrones. El principio de conservación de carga dice: "La carga no puede ser creada o destruida, sólo transferida". 2.2 La Corriente Eléctrica Se define a la corriente como la razón de transferencia de carga a través de una superficie, que puede ser la sección transversal de un conductor eléctrico. La unidad de corriente es el amper [A]. Un amper es la transferencia de un coulomb de carga por segundo. La notación para la corriente eléctrica es: i(t). La siguiente relación relaciona la corriente con la carga: i(t)= dq/dt 2

3 2.3 La Energía Eléctrica Una definición simple es decir que es la capacidad para producir trabajo, y se parte del siguiente postulado: "la energía no puede ser creada. Sólo transferida". La energía eléctrica puede ser producida a su vez por la energía química, la energía mecánica o la energía atómica, provenientes de una reacción para la primera, de un generador hidráulico para la segunda o de un reactor nuclear para la última. La unidad de energía es el joule (trabajo). La notación para la energía es : w(t). 2.4 El Voltaje Si la energía se gasta sobre una cantidad de carga, la razón del trabajo a la carga se denomina voltaje. La unidad de voltaje es el volt. Un voltio es la energía de joule dada a una carga de un coulomb. Si una energía total de un joule se requiere para mover un grupo de partículas cargadas con una carga total de un coulomb, de un punto a otro en un circuito dado, entonces una diferencia de potencial de un voltio se producirá entre los dos puntos. 2.5 La Potencia Eléctrica Se define potencia a la razón de tiempo del trabajo realizado. La unidad de potencia es el watt. Un watt = 1 Joule/seg. La notación de potencia es p(t). Entonces p(t) = dw(t)/dt. 3

4 Capítulo 3 : Electrodinámica En este capítulo se analizará la teoría básica de los circuitos de corriente continua, la terminología y conceptos básicos necesarios para su estudio. 3.1 Circuitos Eléctricos. Un circuito eléctrico está compuesto normalmente por un conjunto de elementos activos -que generan energía eléctrica (por ejemplo baterías, que convierten la energía de tipo químico en eléctrica)- y de elementos pasivos -que consumen dicha energía (por ejemplo resistencias, que convierten la energía eléctrica en calor, por efecto Joule)- conectados entre sí. El esquema siguiente presenta un circuito compuesto por una batería (elemento de la izquierda) y varias resistencias. Las magnitudes que se utilizan para describir el comportamiento de un circuito son la Intensidad de Corriente Eléctrica y el Voltaje o caída de potencial. Estas magnitudes suelen representarse, respectivamente, por I y V y se miden en Amperios (A) y Voltios (V) en el Sistema Internacional de Unidades. La intensidad de corriente eléctrica es la cantidad de carga que, por segundo, pasa a través de un cable o elemento de un circuito. El voltaje es una medida de la separación o gradiente de cargas que se establece en un elemento del circuito. También se denomina caída de potencial o diferencia de potencial (d.d.p.) y, en general, se puede definir entre dos puntos arbitrarios de un circuito. El voltaje está relacionado con la cantidad de energía que se convierte de eléctrica en otro tipo (calor en una resistencia) cuando pasa la unidad de carga por el dispositivo que se considere; se denomina fuerza electromotriz (f.e.m.) cuando se refiere al efecto contrario, conversión de energía de otro tipo (por ejemplo químico en una batería) en energía eléctrica. La f.e.m. suele designarse por e y, lógicamente, se mide también en Voltios. Los elementos de un circuito se interconectan mediante conductores. Los conductores o cables metálicos se utilizan básicamente para conectar puntos que se desea estén al mismo potencial (es decir, idealmente la caída de potencial a lo largo de un cable o conductor metálico es cero). 3.2 Consideraciones Energéticas: Según lo expuesto anteriormente, La energía que se convierte en otro tipo de energía cuando pasa una cierta cantidad de carga Q por un elemento pasivo es Q.V si es V la d.d.p. entre los extremos del dispositivo. Al ser la corriente una medida de la cantidad de carga que pasa por segundo, la energía que por segundo se consumirá en el dispositivo será I.V; esta energía por unidad de tiempo es la Potencia. De igual forma, cuando consideramos elementos activos, la potencia eléctrica que dan cuando suministran una cierta corriente I será: e.i. Es de destacar que en un dispositivo pasivo la corriente va en el sentido de los potenciales decrecientes (de + a -) mientras que en una batería ocurre lo contrario, la corriente va en el 4

5 sentido de los potenciales crecientes (de a +). Esta distinción es la que determina que un elemento sea activo (produzca energía eléctrica) o sea pasivo (consuma energía eléctrica). 3.3 Terminología utilizada en el Estudio de los Circuitos Para facilitar el estudio de un circuito conviene definir los siguientes términos: Nudos, Ramas y Mallas. Nudo es la unión de más de dos cables: Los puntos A y B son los dos únicos existentes en el circuito que se esquematiza debajo; el punto C es la unión de dos elementos, pero no es un nudo. Rama es el recorrido a lo largo del circuito entre dos nudos consecutivos: Una rama del circuito es ACB, pero no es una rama BAC. En el esquema se distinguen 3 ramas: ACB, BDA y AB. Malla es un recorrido cerrado. Por ejemplo ABDA (malla I) y ACBA (malla II). También lo es el recorrido exterior BDACB, pero es redundante con las anteriores (I y II) que ya cubren todos los elementos recorridos por la última. Previo a proceder al estudio de un circuito se identifican las corrientes que van por cada rama (también puede efectuarse el estudio en términos de las corrientes que circulan por las mallas). En nuestro circuito podemos distinguir 3 corrientes diferentes: I 1, I 2 e I 3. Observe que los nombres y los sentidos de las corrientes se asignan arbitrariamente; si, tras analizar el circuito, una corriente resulta negativa es que su sentido es opuesto al inicialmente escogido. Las reglas utilizadas para el estudio de un circuito son las llamadas Leyes de Kirchhoff: básicamente la ley de nudos y la ley de mallas que analizaremos posteriormente. A la vista de lo expuesto anteriormente queremos resaltar que lo necesario para proceder al estudio de un circuito es conocer, para cada elemento o dispositivo que lo forme, la relación que hay entre la intensidad que atraviesa al dispositivo y la caída de potencial o voltaje entre sus extremos. Esta relación suele darse en términos de la denominada característica I-V del dispositivo y esta primera práctica va orientado a mostrar dicha característica para diferentes dispositivos. 5

6 3.4 Característica I-V de un dispositivo Esta característica informa sobre la relación que existe entre I y V en un dispositivo y constituye todo lo que hay que saber de un dispositivo para poder estudiar su comportamiento y efectos al insertarlo en un circuito dado. Esta relación puede presentarse en forma de tabla, dando pares de valores V-I. También puede presentarse en forma gráfica dando I como función de V o viceversa Baterías Supondremos que los circuitos en que fijamos nuestra atención están alimentados por baterías ideales. Estas baterías tienen una característica V-I muy simple: dan un voltaje fijo (su f.e.m.) para cualquier valor de la corriente que se les pida. En forma gráfica tendríamos: En este caso sería una pérdida de tiempo conservar la gráfica o una tabla de valores asociada a dicha característica, pues el único dato relevante es el valor de la f.e.m. Bien es verdad que la característica anteriormente expuesta es ideal, como hemos dicho: supone que la batería podría suministrar cualquier valor de corriente manteniendo la d.d.p. entre sus bornes, lo cual implicaría que podría suministrar potencias infinitas Resistencias Otra característica sencilla es la que corresponde a elementos lineales como las resistencias. En estos dispositivos la corriente es linealmente proporcional a la tensión aplicada a sus extremos (o, a la inversa, el voltaje desarrollado entre los extremos del elemento es proporcional a la corriente que lo atraviesa): En estas situaciones realmente hay un exceso de información y bastaría con dar la pendiente de la recta como representativa de toda la información. En este caso se cumple la ley de Ohm y el dispositivo se caracteriza por un único parámetro: la pendiente, R (en Ohmios), de la gráfica anteriormente representada: Ley de Ohm: V=R.I 6

7 En la representación anterior la recta de mayor pendiente (en azul) corresponde a la resistencia, R, de mayor valor puesto que se ha presentado en diagrama donde la pendiente es V/I. Conviene destacar que frecuentemente se da la característica con los ejes intercambiados: En este caso la recta de mayor pendiente (en azul) corresponde a la de menor resistencia (mayor conductancia 1/R). 7