Cuando hablamos de la electricidad surge inmediatamente la siguiente pregunta. ¿Qué es la corriente eléctrica?
ATENCIÓN: Básicamente la corriente eléctrica es un flujo de electrones que circula por un conductor de un extremo hacia el otro.
Pero, qué es o de donde sale el electrón...
Para entender esto se debe estudiar el átomo.
El Atomo
La materia está formada por moléculas, y éstas a su vez, por átomos. El átomo, es la menor porción de materia, átomo significa (indivisible) es la menor cantidad de un elemento químico que tiene existencia propia, y que no es posible dividir mediante procesos químicos.
Aunque la mayor parte de un átomo es espacio vacío, los átomos están compuestos de partículas más pequeñas.
Por conveniencia se suele dividir en:
Núcleo: En el centro, compuesta por los nucleones (protones y neutrones).
Corteza: La parte más externa consistente en una nube de electrones.
En el caso de átomos en estado neutro el número de electrones es idéntico al de protones que es lo que caracteriza a cada elemento químico. El número de protones de un determinado átomo se denomina numero atómico y determina su posición en la tabla periódica de los elementos.
Los átomos con el mismo número atómico, pero distinta masa atómica (por tener diferente número de neutrones) se denominan isótopos.
Es posible que por algún fenómeno (frotamiento, químicos, etc.) se transmita energía a los electrones de las últimas órbitas, y cierta cantidad de electrones pasen de un material a otro.
De esta forma un material poseerá más electrones negativos (carga negativa) que protones positivos (carga positiva), se dice que posee carga negativa. Análogamente se dice que el material del cual partieron los electrones adquirió carga positiva.
Si se acercan los materiales se verá que existe una atracción entre ellos, por lo que se dice que "las cargas opuestas se atraen". De la misma forma que "dos cargas iguales se repelen".
Conductividad
La banda de conducción es un nivel de energía en el cual los electrones están aún más desligados del núcleo, formando lo que se suele definir como "mar de electrones", en la cual los electrones de esta banda pertenecen a todos los átomos de la materia.
Cuando a un electrón de la banda interior se le comunica exteriormente energía, ya sea eléctrica, por temperatura, luz, etc. puede saltar a la banda de conducción, quedando en posición de desplazarse por todo el material.
ATENCIÓN: En la naturaleza hay sustancias que tienen más electrones en la banda de conducción que otras, esta propiedad se llama conductividad. Estos materiales serán capaces, bajo la acción de fuerzas exteriores, de conducir la electricidad.
Se pueden clasificar los materiales en tres grupos:
Tensiòn y Voltaje
Anteriormente se explicó que la corriente eléctrica es un flujo de electrones que circula por un material conductor de un extremo hacia el otro.
Tal vez en este momento se estará preguntando: ¿Qué genera este flujo?.
Para responder esta pregunta observe el siguiente resumen de alguno de los puntos de las secciones anteriores:
Dos cargas iguales se repelen.
Dos cargas opuestas se atraen.
Determinados materiales tienen mayor cantidad de electrones en la banda de conducción (conductores) que otros (aislantes).
Ahora bien, si se tiene un conductor en el cual hay muchos electrones libres. ¿Qué se podría hacer para que los mismos se muevan en la misma dirección formando un flujo de electrones?.
ATENCIÓN: Sí ponemos una carga positiva en un extremo del cable, los electrones se verán atraídos y empezarán a moverse hacia el extremo del cable, generando el flujo eléctrico.
En realidad lo que se hace es poner en los extremos del cable una fuente de tensión, o, dicho en forma común, "se aplica un voltaje".
Se podría decir que el voltaje tiene dos objetivos:
- Generar la atracción necesaria para lograr el flujo de electrones.
- Otorgar a los electrones, la energía que les permita atravesar elementos resistivos (resistencias), que se opongan a su paso.
La tensión se expresa en VOLTIOS (V). Por ejemplo una pila tiene una tensión de 1.5V (voltios) y una batería de automóvil 12V.
El símbolo de una fuente de tensión continua es el siguiente:
En este símbolo, el terminal o polo negativo (-) indica por donde salen los electrones, mientras que por el positivo (+) es por donde ingresan los electrones.
Al polo positivo se lo define como un punto o potencial positivo, ya que es el que ejerce una "fuerza" sobre los electrones, y el negativo como un punto o potencial de referencia en el cual no hay tensión (0V).
Por ejemplo, que una pila tenga una tensión de 1.5V, significa que el polo positivo tiene un potencial de 1,5 V (15V de "fuerza" para atraer a los electrones) respecto de una referencia, que en este caso es el terminal negativo.
Corriente Eléctrica
Anteriormente se definió a la corriente eléctrica como el flujo de electrones, pero, si pensamos en esta definición podemos notar que es incompleta ya que en ningún momento se tuvo en cuenta la cantidad de electrones en movimiento y la velocidadde los mismos.
Para entender lo anteriormente dicho, vea el siguiente ejemplo. Suponga que tiene dos lámparas preparadas para trabajar con 12 V (voltios) a las cuales se les aplica deferentes voltajes, 11 y 12 V.
En el caso de aplicar mayor voltaje los electrones se mueven más rápido y en mayor cantidad, entonces, tiene que existir una forma de cuantificar estas diferencias.
ATENCIÓN: La corriente eléctrica se define como la cantidad de carga que atraviesa una sección del conductor en un segundo.
Como conclusión de la definición anterior se puede decir que:
- Una mayor cantidad de electrones atravesando una sección tiene como consecuencia una corriente mayor.
- Una mayor velocidad de los electrones provoca una corriente más grande.
La corriente eléctrica se mide en AMPERIOS (A)
Resistencias
ATENCIÓN:Es la propiedad natural de un elemento que hace que se oponga al paso de la corriente.
Todos los materiales ofrecen resistencia al paso de la corriente. En el caso de un conductor ésta es pequeña, en cambio la que presenta un aislante es "muy grande".
Por otra parte es importante destacar que se fabrican resistencias de diferentes valores para utilizarlas en circuitos eléctricos o electrónicos .
La unidad de medida es el ohm (Ω).
El símbolo de una resistencia es:
Las resistencias se dividen en tres grupos:
- Resistencias lineales fijas
- Resistencias variables
- Resistencias no lineales
Ley de Ohm
Ohm encontró que existe una relación proporcional entre la tensión aplicada a una resistencia y la corriente que circula por esa resistencia.
Dicha relación es: V = I x R
Donde:
V es la tensión aplicada a la resistencia.
I es la corriente que circula por la resistencia.
R es la resistencia al paso de la corriente.
Observando esta relación podrá notar que:
Para un material dado con cierto valor de resistencia (R), cuando aumenta la tensión (V) aplicada (mayor fuerza aplicada sobre los electrones), aumenta proporcionalmente la corriente que circula por él. Esto se debe al aumento de la cantidad y velocidad de los electrones que atraviesan una sección.
Si la tensión (V) se mantiene fija y aumenta la resistencia (R), obtendrá como consecuencia una disminución de la corriente. Esta disminución se debe a que los electrones poseen la misma fuerza para atravesar una resistencia mayor, y por lo tanto se mueven más lento y en menor cantidad.
A continuación se analirá un circuito simple como el de la figura:
En el circuito de la imagen anterior, se dibujó la circulación de corriente desde el polo positivo de la fuente hacia el negativo. Pero, ¿cómo se explica esto, sí se ha explicado en párrafos anteriores que los electrones son los que se están moviendo, la corriente debería circular en el sentido opuesto?
ATENCIÓN: Cuando se descubrió el fenómeno electricidad, no se sabía de la existencia del electrón, el mismo se descubría como un flujo de fluído de positivo a negativo.
Con el descubrimiento del átomo se entendió que la corriente era fruto de los electrones, pero por acuerdo entre los científicos se mantuvo el sentido histórico de la corriente (de positivo a negativo).
Antes de comenzar, se debe tener en cuenta, que si bien el cable tiene una resistencia, como la misma es muy pequeña la podrá despreciar, es decir imagine que es un cable ideal sin ningún tipo de resistencia al paso de los electrones.
En este circuito los 15V que proporciona la fuente de alimentación, están aplicados o "caen" sobre la resistencia R1, es decir los 15V permiten vencer la oposición de la resistencia al paso de la corriente, ya que se ha supuesto un cable ideal en el cual no hace falta aplicar ninguna fuerza (no cae ninguna tensión) para que los electrones se muevan en él.
Cuando se dice que los 15V "caen" en la resistencia, significa que los 15V aplicados por el polo positivo de la fuente se agotan en el extremo de la resistencia por el cual sale la corriente.
Por lo tanto, entre dicho extremo y el terminal negativo la tensión es cero, ya que se supuso un cable sin resistencia en el cual no hace falta gastar tensión.
A continuación se hallará la corriente que circula por dicho circuito. Según la ley de Ohm:
Tension
Tension continua
Cuando se refiere a Tensión Continua se quiere decir que el valor de tensión no varíaa medida que va pasando el tiempo. Un ejemplo de este tema son las pilas y baterías.
Tensión Alterna
Cuando se hace referencia a una Tensión Alterna se quiere expresar que el valor de la tensión cambia de un instante de tiempo a otro.
A continuación se analizará el comportamiento de la tensión alterna.
En un momento dado la tensión tiene un valor cero, luego comienza a crecer hasta llegar a un máximo, en ese momento comienza a decrecer hasta llegar a cero.
Cuando llega a cero vemos que la tensión se hace negativa. Pero: ¿qué significa una tensión negativa?.
ATENCIÓN: Que la tensión sea negativa, implica un cambio de polaridad de la tensión, es decir el polo positivo pasa a ser negativo y viceversa.
En la figura siguiente podrá observar que el cambio de polaridad, trae como consecuencia un cambio es el sentido de la circulación de la corriente.
El ejemplo más cercano de tensión alterna es la del toma-corriente de nuestros hogares. El grafico determina como varia de positivo a negativo la corriente alterna en trasladarse en el tiempo. La corriente alterna en el caso de Argentina varia 50 veces por segundo de positivo a negativo.
Frecuencia
Para definir qué es la frecuencia primero se definirá qué es un ciclo.
Un ciclo es el período después del cual la señal (de corriente o tensión, por ejemplo) vuelve a tener el mismo valor y sentido.
Como se puede ver en la figura anterior en la misma se obervan los puntos A, B y C los cuales tienen el mismo valor de tensión, pero solo los puntos A y C tienen el mismo sentido, en ambos puntos la tensión está creciendo, mientras que en el punto B la tensión esta disminuyendo. Por lo tanto el ciclo se extiende desde el punto A hasta el C.
En estos momentos se está en condiciones de definir frecuencia como la cantidad de ciclos que realiza la señal en un segundo. La frecuencia se mide en Hertzios (Hz).
La tensión de la red domiciliaria es de 50Hz, es decir realiza 50 ciclos en un segundo.
Circuitos
Circuito en serie
La corriente que circula por todos los elementos del circuito es la misma, ya que la cantidad de electrones que salen del terminal negativo debe ser igual a la cantidad que ingresa por el positivo.
La tensión que cae en las resistencias es distinta, esto se debe a que la tensión proporcionada por la fuente se debe repartir para vencer la oposición de todas las resistencias. Por lo tanto, la suma de las caídas de tensión de todas las resistencias debe ser igual a la proporcionada por la fuente.
Por ejemplo: si se tiene el circuito de la figura siguiente
Se sabe que los 12V proporcionados por el polo positivo de la fuente, le tienen que permitir vencer la oposición de las dos resistencias.
En la figura siguiente se ha calculado los valores de tensión y corriente del circuito, estos cálculos no se explicarán ya que exceden el alcance de este curso, de todas formas se rescatará los conceptos necesarios para este curso.
Desde el terminal positivo hasta el punto A tenemos 12V, ya que se supone un cable ideal que no consume tensión, en el punto A encontrará la resistencia de 600 Ω que produce una caída de 7.2V, por lo tanto en el punto B tendrá 12V-7.2V = 4.8V.
Entre los punto B y el C no hay caída ya que tiene el cable, esto implica que en el punto C existen 4.8V, que permiten vencer a la resistencia de 400? Ω
En el punto D tiene una tensión de 4.8V-4.8V = OV.
Entre el punto D y el terminal negativo no hay caída.
Circuito paralelo
En el circuito paralelo verá que la corriente en el punto A tiene dos caminos posibles, la corriente "I" se dividirá en dos: "I1" (corriente que atraviesa a R1) y "I2", (corriente que circula por R2), de tal forma que I = I1 + I2.
En cuanto a la tensión, ésta es la misma para cada una de las resistencias, ya que para llevar a los electrones hasta el extremo de cualquiera de las resistencias no se debe aplicar ninguna "fuerza" o tensión debido a que se supone que el cable no tiene resistencia.
Por lo tanto la tensión se aplica directamente sobre las resistencias.
Resumiendo decimos que: "En un circuito serie la corriente que circula es la misma en todos los elementos, mientras que en un circuito paralelo la tensión aplicada es igual"
Corto Circuito
Un cortocircuito se produce cuando la resistencia de un circuito eléctrico es muy pequeña, provocando que el valor de la corriente que circula sea excesivamente grande, debido a esto se puede llegar a producir la rotura de la fuente o la destrucción de los cables.
Por ejemplo:
Utilizando la ley de ohm observe el valor de la corriente:
Para que pueda hacerse una idea de lo grande que es este valor, es bueno saber que la corriente que circula por una lámpara común 100 W (como las de nuestras casas) es de 0.45 A.
ATENCIÓN: Una resistencia tan pequeña bien puede ser un cable.
Fusible
Muchos circuitos eléctricos o electrónicos, contienen fusibles.
El fusible es una llave de seguridad. Si la corriente que recorre el circuito aumenta, por ejemplo por causa de un cortocircuito, el fusible se calienta y se funde, interrumpiendo así el paso de la corriente.
El fusible tiene como finalidad resguardar la integridad del resto de los componentes del circuito.
Básicamente está constituido por un hilo de cobre, dependiendo de la sección de éste, se pueden fabricar fusibles con valores diferentes de corriente máxima.
Sí tenemos un fusible de 1 A (amperio), éste soportará una corriente de hasta 1 A. Cuando por cualquier circunstancia la corriente sea mayor a 1 A, el mismo se cortará.
Excelente los principios básicos
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