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 = ( 1x10 24 ) 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 10 18 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: E I = R o corriente = voltaje 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. E E I = ; 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: R T 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 R 1 1 1 = + +... + R R T 1 2 R n 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. R1 * R2 R T = R + R 1 2
En la figura se muestra un circuito paralelo con dos resistencias de distintos valores: 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 ( I t ) 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 2 E o P = R Ejemplo en un Circuito de C.C.: En la figura siguiente, la potencia puede ser calculada usando la expresiones de potencia.