CONCEPTOS BÁSICOS DE ELECTRÓNICA

Materia, en ciencia, término general que se aplica a todo lo que ocupa espacio y posee los atributos de gravedad e inercia. En la física clásica, la materia y la energía se consideraban dos conceptos diferentes que estaban detrás de todos los fenómenos físicos.Ciertas partículas elementales se combinan para formar átomos, que a su vez se combinan para formar moléculas. Las propiedades de las moléculas individuales y su distribución y colocación proporcionan a las distintas formas de materia sus cualidades, como masa, dureza, viscosidad, color, sabor o conductividad eléctrica o calorífica, entre otras.

Átomo, la unidad más pequeña posible de un elemento químico. En la filosofía de la antigua Grecia, la palabra “átomo” se empleaba para referirse a la parte de materia más pequeña que podía concebirse. Esa “partícula fundamental”, por emplear el término moderno para ese concepto, se consideraba indestructible. De hecho, átomo significa en griego “no divisible”. A lo largo de los siglos, el tamaño y la naturaleza del átomo sólo fueron objeto de especulaciones, por lo que su conocimiento avanzó muy lentamente.

Molécula, la partícula más pequeña de una sustancia, que mantiene las propiedades químicas específicas de esa sustancia. Si una molécula se divide en partes aún más pequeñas, éstas tendrán una naturaleza diferente de la sustancia original. Por ejemplo, una muestra de agua puede dividirse en dos partes, y cada una dividirse a su vez en muestras de agua más pequeñas. El proceso de división y subdivisión finaliza al llegar a la molécula simple de agua, que si se divide dará lugar a algo que ya no es agua: hidrógeno y oxígeno. Las moléculas de los compuestos están constituidas por átomos de los elementos que los forman. Se dice que una molécula es diatómica cuando está compuesta por dos átomos y poliatómica si tiene gran número de átomos. Existen moléculas compuestas de cientos, miles, incluso millones de átomos. Gran parte de la química moderna está dedicada al estudio de la composición, estructura y tamaño de las moléculas. Para estudiar las moléculas y sus reacciones se emplean descargas de rayos láser de cortísima duración.

ESTRUCTURA DEL ÁTOMO-MODELO RUTHERFORD:

Evolución de la Estructura del Átomo.

El descubrimiento de la naturaleza de las emisiones radiactivas permitió a los físicos profundizar en el átomo, que según se vio consistía principalmente en espacio vacío. En el centro de ese espacio se encuentra el núcleo, que sólo mide, aproximadamente, una diezmilésima parte del diámetro del átomo. Rutherford dedujo que la masa del átomo está concentrada en su núcleo. También postuló que los electrones, de los que ya se sabía que formaban parte del átomo, se movían en órbitas alrededor del núcleo. El núcleo tiene una carga eléctrica positiva, formada por los protones; los electrones tienen carga negativa. El neutrón, que tiene casi exactamente la misma masa que el protón pero carece de carga eléctrica. Entonces se vio que el núcleo está formado por protones y neutrones. En cualquier átomo, el número de protones es igual al número de electrones y, por tanto, a su número atómico.

Energía, capacidad de un sistema físico para realizar trabajo. La materia posee energía como resultado de su movimiento o de su posición en relación con las fuerzas que actúan sobre ella. La energía asociada al movimiento se conoce como energía cinética, mientras que la relacionada con la posición es la energía potencial.

La energía se manifiesta en varias formas, entre ellas la energía mecánica, térmica (Termodinámica), química, eléctrica (Electricidad), radiante (Radiación) o atómica (Energía nuclear), Solar, Eólica. Todas las formas de energía pueden convertirse en otras formas mediante los procesos adecuados. En el proceso de transformación puede perderse o ganarse una forma de energía, pero la suma total permanece constante.

Electricidad, categoría de fenómenos físicos originados por la existencia de cargas eléctricas y por la interacción de las mismas. Cuando una carga eléctrica se encuentra estacionaria, o estática, produce fuerzas eléctricas sobre las otras cargas situadas en su misma región del espacio; cuando está en movimiento, produce además efectos magnéticos. Los efectos eléctricos y magnéticos dependen de la posición y movimiento relativos de las partículas con carga.

ElectrostáticaInteracción de cargas eléctricas, Una manifestación habitual de la electricidad es la fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos estacionarios que, de acuerdo con el principio de acción y reacción, ejercen la misma fuerza eléctrica uno sobre otro. La electricidad se ocupa de las partículas cargadas positivamente, como los protones, que se repelen mutuamente, y de las partículas cargadas negativamente, como los electrones, que también se repelen mutuamente. En cambio, las partículas negativas y positivas se atraen entre sí. Este comportamiento puede resumirse diciendo que las cargas del mismo signo se repelen y las cargas de distinto signo se atraen.

CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES SEGÚN SU COMPOSICIÓN FÍSICA:

Conductor, cualquier material que ofrezca poca resistencia al flujo de electricidad. La diferencia entre un conductor y un aislante, que es un mal conductor de electricidad o de calor, es de grado más que de tipo, ya que todas las sustancias conducen electricidad en mayor o en menor medida. Un buen conductor de electricidad, como la plata o el cobre, puede tener una conductividad mil millones de veces superior a la de un buen aislante, como el vidrio o la mica. El fenómeno conocido como superconductividad se produce cuando al enfriar ciertas sustancias a un temperatura cercana al cero absoluto su conductividad se vuelve prácticamente infinita.

Aislante, cualquier material que conduce mal el calor o la electricidad y que se emplea para suprimir su flujo. El aislante perfecto para las aplicaciones eléctricas sería un material absolutamente no conductor, pero ese material no existe. Los materiales empleados como aislantes siempre conducen algo la electricidad, pero presentan una resistencia al paso de corriente eléctrica hasta 2,5 × 10²⁴ veces mayor que la de los buenos conductores eléctricos como la plata o el cobre.

Semiconductor, material sólido o líquido capaz de conducir la electricidad mejor que un aislante, pero peor que un metal. La conductividad eléctrica, que es la capacidad de conducir la corriente eléctrica cuando se aplica una diferencia de potencial, es una de las propiedades físicas más importantes. Ciertos metales, como el cobre, la plata y el aluminio son excelentes conductores. Por otro lado, ciertos aislantes como el diamante o el vidrio son muy malos conductores. A temperaturas muy bajas, los semiconductores puros se comportan como aislantes. Sometidos a altas temperaturas, mezclados con impurezas o en presencia de luz, la conductividad de los semiconductores puede aumentar de forma espectacular y llegar a alcanzar niveles cercanos a los de los metales. Las propiedades de los semiconductores se estudian en la física del estado sólido.

MAGNITUDES ELÉCTRICAS FUNDAMENTALES:

Intensidad de corriente, es la magnitud fundamental del Sistema Internacional de unidades que representa la carga que circula por unidad de tiempo a través de una sección determinada de un conductor. Su símbolo es I, y se mide en amperios (A).

Diferencia de potencial, también llamada tensión eléctrica, voltaje, fuerza electromotriz, es el trabajo necesario para desplazar una carga positiva unidad de un punto a otro en el interior de un campo eléctrico; en realidad se habla de diferencia de potencial entre ambos puntos (V_A - V_B). La unidad de diferencia de potencial es el voltio (V).

Resistencia, es la propiedad de un objeto o sustancia que hace que se resista u oponga al paso de una corriente eléctrica. La resistencia de un circuito eléctrico determina, según la ley de Ohm, cuánta corriente fluye en el circuito cuando se le aplica un voltaje determinado. La unidad de resistencia es el ohmio, que es la resistencia de un conductor si es recorrido por una corriente de un amperio cuando se le aplica una tensión de 1 voltio. La abreviatura habitual para la resistencia eléctrica es R, y el símbolo del ohmio es la letra griega omega, Ω. En algunos cálculos eléctricos se emplea el inverso de la resistencia, 1/R, que se denomina Conductancia y se representa por G. La unidad de conductancia es Siemens, cuyo símbolo es S. Aún puede encontrarse en ciertas obras la denominación antigua de esta unidad, mho.

Potencia Eléctrica, es el trabajo, o transferencia de energía, realizado por unidad de tiempo. En electricidad, imaginemos un circuito eléctrico con una resistencia. Hay que realizar una determinada cantidad de trabajo para mover las cargas eléctricas a través de la resistencia. Para mover dichas cargas más rápidamente, es decir, para aumentar la corriente que fluye por la resistencia, se necesita más potencia.

La potencia siempre se expresa en unidades de energía divididas entre unidades de tiempo. Se representa con la letra P. La unidad de potencia en el Sistema Internacional es el Vatio o Watt,  y se simboliza con la letra W, que equivale a la potencia necesaria para efectuar 1 julio de trabajo por segundo. Una unidad de potencia tradicional es el Caballo de Vapor (CV) o Caballo de Fuerza (HP), que equivale aproximadamente a 746 W (vatios).

La potencia de un circuito eléctrico, viene expresada por las siguientes fórmulas: 

P = V x I;  P = I² x R; P = V²/R

Circuito eléctrico, trayecto o ruta de una corriente eléctrica. El término se utiliza principalmente para definir un trayecto continuo compuesto por conductores y dispositivos conductores, que incluye una fuente de fuerza electromotriz que transporta la corriente por el circuito. Un circuito de este tipo se denomina circuito cerrado, y aquéllos en los que el trayecto no es continuo se denominan abiertos. Un cortocircuito es un circuito en el que se efectúa una conexión directa, sin resistencia, inductancia ni capacitancia apreciables, entre los terminales de la fuente de fuerza electromotriz.

Circuito Eléctrico



Símbolos eléctricos más utilizados en circuitos

Ley de Ohm, La ley básica del flujo de la corriente es la ley de Ohm, así llamada en honor a su descubridor, el físico alemán Georg Ohm. Según la ley de Ohm:

La cantidad de corriente que fluye por un circuito formado por resistencias puras es directamente proporcional a la fuerza electromotriz aplicada al circuito, e inversamente proporcional a la resistencia total del circuito. Esta ley suele expresarse mediante la fórmula:

 I = V / R

siendo I la intensidad de corriente en amperios, V el Voltaje en voltios y R la resistencia en ohmios.

La ley de Ohm se aplica a todos los circuitos eléctricos, tanto a los de corriente continua (CC) como a los de corriente alterna (CA), aunque para el análisis de circuitos complejos y circuitos de CA deben emplearse principios adicionales que incluyen inductancias y capacitancias.

Clasificación de la Corriente Eléctrica: Se clasifica según la trayectoria de los electrones a través de un material. Existen dos tipos de Corriente eléctrica:

Corriente Alterna: se produce cuando los electrones fluyen en ambos sentidos (bidireccional), es decir no tiene una polaridad fija, alternando la señal en un Período (T) de tiempo determinado y depende de la Frecuencia (F) del sistema. La producen los grandes generadores eléctricos. Existen tres Sistemas Eléctricos de Corriente Alterna: Monofásica (Fase-Neutro), Bifásica (Fase-Fase), Trifásica (Fase-Fase-Fase) y Polifásica (más de 3 Fases). Se representa con una forma de Onda Senoidal y se simboliza con las siglas C. A. ó A. C. Se utiliza comúnmente en el área residencial, comercial e industrial.

Forma de Onda de la Corriente Alterna (A.C.) y sus Características.

Características de la Señal Senoidal Alterna:

FRECUENCIA (F): La frecuencia de la señal, es la cantidad de ciclos que ocurren en un segundo, su unidad es ciclos / segundo (c/s), que es lo mismo que Hertz o Hertzios, y se expresa con la fórmula: F = 1 / T. Es decir  la Frecuencia. (f) es el inverso del Período (T). La frecuencia de la señal eléctrica la establece el sistema de generación de cada país; en los países Europeos tiene un valor de 50 c/s ó 50 Hz, mientras que en los países americanos tiene un valor de 60 c/s ó 60 Hz. (Este es el caso de Venezuela).

PERIODO(T): Es el tiempo necesario para que un ciclo de la señal alterna se produzca, se llama período (T) y se expresa con la fórmula: T = 1 / f, es decir el Período (T) es el inverso de la Frecuencia (F).

VOLTAJE PICO-PICO (Vpp): Analizando el gráfico se ve que hay un voltaje máximo y un voltaje mínimo. La diferencia entre estos dos voltajes es el llamado voltaje pico-pico (Vpp) y es igual al doble del Voltaje Pico (Vp) (ver gráfico).

VOLTAJE RMS (Vrms): Se refiere al Valor Eficaz del Voltaje. Las corrientes y los voltajes (cuando son alternos) se expresan de forma común con su valor efectivo o RMS (Root Mean Square – raíz media cuadrática). Cuando se dice que en nuestras casas tenemos 120 voltios o 220 voltios, éstos son valores RMS o eficaces. Se puede obtener el voltaje equivalente en corriente continua (Vrms) de este voltaje alterno con ayuda de la fórmula: Vrms = Vp / 1.4142.

Por ejemplo, el valor RMS es el valor de voltaje que obtenemos cuando utilizamos un voltímetro.

Debido a que el voltaje varía rápidamente, para saber que voltaje tenemos en un momento específico, utilizamos la fórmula: V = Vp x Seno (Θ) donde Vp = V pico (ver gráfico) es el valor máximo que obtiene la onda y Θ es una distancia angular y se mide en grados. Si se toma un período de ésta (un ciclo completo), se dice que tiene una distancia angular de 360^o.

Analizando el gráfico anterior, se ve que la onda senoidal es periódica (se repite la misma forma de onda en el tiempo). Y con ayuda de la fórmula anterior, e incluyendo Θ (distancia angular a la cual se encuentra el Valor máximo de la onda) obtenemos el voltaje instantáneo de nuestro interés.

Para cada distancia angular diferente el valor del voltaje es diferente, siendo en algunos casos positivo y en otros negativo (cuando se invierte su polaridad.)

Ejemplo (Observar gráfica):

Cálculo de Voltaje Pico y Voltaje Pico a Pico:

Vp = 10 V

Vpp = 2 x Vp = (2x10V) = 20Vpp

Cálculo de Voltaje Eficaz:

Vrms = Vp / 1.4142 = (10V / 1.4142) = 7.07V

Cálculo del Período para una Frecuencia de 60 Hz:

T = 1/F = 1/60 Hz = 0.01666 seg = 16.66 mseg

"Esto quiere decir que, la onda senoidal repite 60 ciclos en 16,66 milisegundos, algo tan rápido que no se puede apreciar a simple vista".

Corriente Continua: se produce cuando los electrones fluyen en un solo sentido (unidireccional), desde el polo positivo (+) de la fuente de voltaje hasta el polo negativo (-), de manera que es polarizada, generando una trayectoria lineal o en forma de línea recta. No posee Frecuencia (F=0). Se denomina también Corriente Directa y se representa con una gráfica de línea recta, se simboliza con las siglas C. C., C. D. ó D. C. Se utiliza en circuitos electrónicos, baterías, pilas, pequeños generadores.