Principios de Electronica y Electricidad

Principios de Electronica y Electricidad

Electricidad1 INTRODUCCIÓN

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. En lo que respecta a los

efectos eléctricos, estas partículas pueden ser neutras, positivas o negativas (véase

Átomo). 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.

2 ELECTROSTÁTICA

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 carga eléctrica de cada

cuerpo puede medirse en culombios. La fuerza entre dos partículas con cargas q1 y q2

puede calcularse a partir de la ley de Coulomb

según la cual la fuerza es proporcional al producto de las cargas dividido entre el

cuadrado de la distancia que las separa. La constante de proporcionalidad K depende

del medio que rodea a las cargas. La ley se llama así en honor al físico francés

Charles de Coulomb.

Toda partícula eléctricamente cargada crea a su alrededor un campo de fuerzas. Este

campo puede representarse mediante líneas de fuerza que indican la dirección de la

fuerza eléctrica en cada punto. Para mover otra partícula cargada de un punto a otro

del campo hay que realizar trabajo. La cantidad de energía necesaria para efectuar

ese trabajo sobre una partícula de carga unidad se conoce como diferencia de

potencial entre ambos puntos. Esta magnitud se mide en voltios. La Tierra, un

conductor de gran tamaño que puede suponerse sustancialmente uniforme a efectos

eléctricos, suele emplearse como nivel de referencia cero para la energía potencial.

Así, se dice que el potencial de un cuerpo cargado positivamente es de tantos voltios

por encima del potencial de tierra, y el potencial de un cuerpo cargado

negativamente es de tantos voltios por debajo del potencial de tierra.

1 Propiedades eléctricas de los sólidos

El primer fenómeno eléctrico artificial que se observó fue la propiedad que presentan

algunas sustancias resinosas como el ámbar, que adquieren una carga negativa al

ser frotadas con una piel o un trapo de lana, tras lo cual atraen objetos pequeños. Un

cuerpo así tiene un exceso de electrones. Una varilla de vidrio frotada con seda tiene

una capacidad similar para atraer objetos no cargados, y atrae los cuerpos cargados

negativamente con una fuerza aún mayor. El vidrio tiene una carga positiva, que

puede describirse como un defecto de electrones o un exceso de protones.

Cuando algunos átomos se combinan para formar sólidos, frecuentemente quedan

libres uno o más electrones, que pueden moverse con facilidad a través del material.

En algunos materiales, llamados conductores, ciertos electrones se liberan

fácilmente. Los metales, en particular el cobre y la plata, son buenos conductores.

Los materiales en los que los electrones están fuertemente ligados a los átomos se

conocen como aislantes, no conductores o dieléctricos. Algunos ejemplos son el

vidrio, la goma o la madera seca.

Existe un tercer tipo de materiales en los que un número relativamente pequeño de

electrones puede liberarse de sus átomos de forma que dejan un ‘hueco’ en el lugar

del electrón. El hueco, que representa la ausencia de un electrón negativo, se

comporta como si fuera una unidad de carga positiva. Un campo eléctrico hace que

tanto los electrones negativos como los huecos positivos se desplacen a través del

material, con lo que se produce una corriente eléctrica. Generalmente, un sólido de

este tipo, denominado semiconductor, tiene una resistencia mayor al paso de

corriente que un conductor como el cobre, pero menor que un aislante como el

vidrio. Si la mayoría de la corriente es transportada por los electrones negativos, se

dice que es un semiconductor de tipo n. Si la mayoría de la corriente corresponde a

los huecos positivos, se dice que es de tipo p.

Si un material fuera un conductor perfecto, las cargas circularían por él sin ninguna

resistencia; por su parte, un aislante perfecto no permitiría que se movieran las

cargas por él. No se conoce ninguna sustancia que presente alguno de estos

comportamientos extremos a temperatura ambiente. A esta temperatura, los

mejores conductores ofrecen una resistencia muy baja (pero no nula) al paso de la

corriente y los mejores aislantes ofrecen una resistencia alta (pero no infinita). Sin

embargo, la mayoría de los metales pierden toda su resistencia a temperaturas

próximas al cero absoluto; este fenómeno se conoce como superconductividad.

2 Cargas eléctricas

El electroscopio es un instrumento cualitativo empleado para demostrar la presencia

de cargas eléctricas. En la figura 1 se muestra el instrumento tal como lo utilizó por

primera vez el físico y químico británico Michael Faraday. El electroscopio está

compuesto por dos láminas de metal muy finas (a, a_) colgadas de un soporte

metálico (b) en el interior de un recipiente de vidrio u otro material no conductor (c).

Una esfera (d) recoge las cargas eléctricas del cuerpo cargado que se quiere

observar; las cargas, positivas o negativas, pasan a través del soporte metálico y

llegan a ambas láminas. Al ser iguales, las cargas se repelen y las láminas se

separan. La distancia entre éstas depende de la cantidad de carga.

Pueden utilizarse tres métodos para cargar eléctricamente un objeto: 1) contacto con

otro objeto de distinto material (como por ejemplo, ámbar y piel) seguido por

separación; 2) contacto con otro cuerpo cargado; 3) inducción.

El efecto de las cargas eléctricas sobre conductores y no conductores se muestra en

la figura 2. Un cuerpo cargado negativamente, A, está situado entre un conductor

neutro, B, y un no conductor neutro, C. Los electrones libres del conductor son

repelidos hacia la zona del conductor alejada de A, mientras que las cargas positivas

se ven atraídas hacia la zona próxima. El cuerpo B en su conjunto es atraído hacia A,

porque la atracción de las cargas distintas más próximas entre sí es mayor que la

repulsión de las cargas iguales más separadas (las fuerzas entre las cargas eléctricas

son inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia entre las cargas). En el

no conductor, C, los electrones no pueden moverse libremente, pero los átomos o

moléculas del mismo se reorientan de forma que sus electrones constituyentes estén

lo más lejos posible de A; el no conductor también es atraído por A, pero en menor

medida que el conductor.

El movimiento de los electrones en el conductor B de la figura 2 y la reorientación de

los átomos del no conductor C proporciona a esos cuerpos cargas positivas en los

lados más próximos a A y negativas en los lados más distantes de A. Las cargas

generadas de esta forma se denominan cargas inducidas.

3 MEDIDAS ELÉCTRICAS

El flujo de carga, o intensidad de corriente, que recorre un cable conductor se mide

por el número de culombios que pasan en un segundo por una sección determinada

del cable. Un culombio por segundo equivale a 1 amperio, unidad de intensidad de

corriente eléctrica llamada así en honor al físico francés André Marie Ampère. Véase

el siguiente apartado, Corriente eléctrica.

Cuando una carga de 1 culombio se desplaza a través de una diferencia de potencial

de 1 voltio, el trabajo realizado equivale a 1 julio, unidad llamada así en honor al

físico británico James Prescott Joule. Esta definición facilita la conversión de

cantidades mecánicas en eléctricas.

Una unidad de energía muy usada en física atómica es el electronvoltio (eV).

Corresponde a la energía adquirida por un electrón acelerado por una diferencia de

potencial de 1 voltio. Esta unidad es muy pequeña y muchas veces se multiplica por

un millón o mil millones, abreviándose el resultado como 1 MeV o 1 GeV.

4 CORRIENTE ELÉCTRICA

Si dos cuerpos de carga igual y opuesta se conectan por medio de un conductor

metálico, por ejemplo un cable, las cargas se neutralizan mutuamente. Esta

neutralización se lleva a cabo mediante un flujo de electrones a través del conductor,

desde el cuerpo cargado negativamente al cargado positivamente (en ingeniería

eléctrica, se considera por convención que la corriente fluye en sentido opuesto, es

decir, de la carga positiva a la negativa). En cualquier sistema continuo de

conductores, los electrones fluyen desde el punto de menor potencial hasta el punto

de mayor potencial. Un sistema de esa clase se denomina circuito eléctrico. La

corriente que circula por un circuito se denomina corriente continua (c.c.) si fluye

siempre en el mismo sentido y corriente alterna (c.a.) si fluye alternativamente en

uno u otro sentido.

El flujo de una corriente continua está determinado por tres magnitudes relacionadas

entre sí. La primera es la diferencia de potencial en el circuito, que en ocasiones se

denomina fuerza electromotriz (fem), tensión o voltaje. La segunda es la intensidad

de corriente. Esta magnitud se mide en amperios; 1 amperio corresponde al paso de

unos 6.250.000.000.000.000.000 electrones por segundo por una sección

determinada del circuito. La tercera magnitud es la resistencia del circuito.

Normalmente, todas las sustancias, tanto conductores como aislantes, ofrecen cierta

oposición al flujo de una corriente eléctrica, y esta resistencia limita la corriente. La

unidad empleada para cuantificar la resistencia es el ohmio (Ω), que se define como

la resistencia que limita el flujo de corriente a 1 amperio en un circuito con una fem

de 1 voltio. La ley de Ohm, llamada así en honor al físico alemán Georg Simon Ohm,

que la descubrió en 1827, permite relacionar la intensidad con la fuerza

electromotriz. Se expresa mediante la ecuación = I × R, donde es la fuerza

electromotriz en voltios, I es la intensidad en amperios y R es la resistencia en

ohmios. A partir de esta ecuación puede calcularse cualquiera de las tres magnitudes

en un circuito dado si se conocen las otras dos. Véase Medidores eléctricos.

Cuando una corriente eléctrica fluye por un cable pueden observarse dos efectos

importantes: la temperatura del cable aumenta y un imán o brújula colocado cerca

del cable se desvía, apuntando en dirección perpendicular al cable. Al circular la

corriente, los electrones que la componen colisionan con los átomos del conductor y

ceden energía, que aparece en forma de calor. La cantidad de energía desprendida

en un circuito eléctrico se mide en julios. La potencia consumida se mide en vatios; 1

vatio equivale a 1 julio por segundo. La potencia P consumida por un circuito

determinado puede calcularse a partir de la expresión P = × I, o la que se obtiene

al aplicar a ésta la ley de Ohm: P = I2 × R. También se consume potencia en la

producción de trabajo mecánico, en la emisión de radiación electromagnética como

luz u ondas de radio y en la descomposición química.

5 ELECTROMAGNETISMO

El movimiento de la aguja de una brújula en las proximidades de un conductor por el

que circula una corriente indica la presencia de un campo magnético (véase

Magnetismo) alrededor del conductor. Cuando dos conductores paralelos son

recorridos cada uno por una corriente, los conductores se atraen si ambas corrientes

fluyen en el mismo sentido y se repelen cuando fluyen en sentidos opuestos. El

campo magnético creado por la corriente que fluye en una espira de alambre es tal

que si se suspende la espira cerca de la Tierra se comporta como un imán o una

brújula, y oscila hasta que la espira forma un ángulo recto con la línea que une los

dos polos magnéticos terrestres.

Puede considerarse que el campo magnético en torno a un conductor rectilíneo por el

que fluye una corriente se extiende desde el conductor igual que las ondas creadas

cuando se tira una piedra al agua. Las líneas de fuerza del campo magnético tienen

sentido antihorario cuando se observa el conductor en el mismo sentido en que se

desplazan los electrones. El campo en torno al conductor es estacionario mientras la

corriente fluya por él de forma uniforme.

Cuando un conductor se mueve de forma que atraviesa las líneas de fuerza de un

campo magnético, este campo actúa sobre los electrones libres del conductor

desplazándolos y creando una diferencia de potencial y un flujo de corriente en el

mismo. Se produce el mismo efecto si el campo magnético es estacionario y el cable

se mueve que si el campo se mueve y el cable permanece estacionario. Cuando una

corriente empieza a circular por un conductor, se genera un campo magnético que

parte del conductor. Este campo atraviesa el propio conductor e induce en él una

corriente en sentido opuesto a la corriente que lo causó (según la llamada regla de

Lenz). En un cable recto este efecto es muy pequeño, pero si el cable se arrolla para

formar una bobina, el efecto se amplía ya que los campos generados por cada espira

de la bobina cortan las espiras vecinas e inducen también una corriente en ellas. El

resultado es que cuando se conecta una bobina así a una fuente de diferencia de

potencial, impide el flujo de corriente cuando empieza a aplicarse la diferencia de

potencial. De forma similar, cuando se elimina la diferencia de potencial, el campo

magnético se desvanece, y las líneas de fuerza vuelven a cortar las espiras de la

bobina. La corriente inducida en estas circunstancias tiene el mismo sentido que la

corriente original, y la bobina tiende a mantener el flujo de corriente. Debido a estas

propiedades, una bobina se resiste a los cambios en el flujo de corriente, por lo que

se dice que posee inercia eléctrica o autoinducción. Esta inercia tiene poca

importancia en circuitos de corriente continua, ya que no se observa cuando la

corriente fluye de forma continuada, pero es muy importante en los circuitos de

corriente alterna (véase más adelante el apartado Corrientes alternas).

6 CONDUCCIÓN EN LÍQUIDOS Y GASES

Cuando fluye una corriente eléctrica por un conductor metálico, el flujo sólo tiene

lugar en un sentido, ya que la corriente es transportada en su totalidad por los

electrones. En cambio en los líquidos y gases, se hace posible un flujo en dos

sentidos debido a la ionización (véase Electroquímica). En una solución líquida, los

iones positivos se mueven en la disolución de los puntos de potencial más alto a los

puntos de potencial más bajo; los iones negativos se mueven en sentido opuesto. De

forma similar, en los gases —que pueden ser ionizados por radiactividad, por los

rayos ultravioletas de la luz solar, por ondas electromagnéticas o por un campo

eléctrico muy intenso— se produce un movimiento de iones en dos sentidos que

produce una corriente eléctrica a través del gas. Véase Arco eléctrico; Iluminación

eléctrica.

7 FUENTES DE FUERZA ELECTROMOTRIZ

Para producir un flujo de corriente en cualquier circuito eléctrico es necesaria una

fuente de fuerza electromotriz. Las fuentes disponibles son las siguientes:

1) máquinas electrostáticas, que se basan en el principio de inducir cargas eléctricas

por medios mecánicos; 2) máquinas electromagnéticas, en las que se genera

corriente desplazando mecánicamente un conductor a través de un campo o campos

magnéticos; 3) células voltaicas, que producen una fuerza electromotriz a través de

una acción electroquímica; 4) dispositivos que producen una fuerza electromotriz a

través de la acción del calor; 5) dispositivos que generan una fuerza electromotriz

por la acción de la luz; 6) dispositivos que producen una fuerza electromotriz a partir

de una presión física, como los cristales piezoeléctricos (véase Efecto piezoeléctrico).

8 CORRIENTES ALTERNAS

Cuando se hace oscilar un conductor en un campo magnético, el flujo de corriente en

el conductor cambia de sentido tantas veces como lo hace el movimiento físico del

conductor. Varios sistemas de generación de electricidad se basan en este principio,

y producen una forma de corriente oscilante llamada corriente alterna. Esta corriente

tiene una serie de características ventajosas en comparación con la corriente

continua, y suele utilizarse como fuente de energía eléctrica tanto en aplicaciones

industriales como en el hogar. La característica práctica más importante de la

corriente alterna es que su voltaje puede cambiarse mediante un sencillo dispositivo

electromagnético denominado transformador. Cuando una corriente alterna pasa por

una bobina de alambre, el campo magnético alrededor de la bobina se intensifica, se

anula, se vuelve a intensificar con sentido opuesto y se vuelve a anular. Si se sitúa

otra bobina en el campo magnético de la primera bobina, sin estar directamente

conectada a ella, el movimiento del campo magnético induce una corriente alterna

en la segunda bobina. Si esta segunda bobina tiene un número de espiras mayor que

la primera, la tensión inducida en ella será mayor que la tensión de la primera, ya

que el campo actúa sobre un número mayor de conductores individuales. Al

contrario, si el número de espiras de la segunda bobina es menor, la tensión será

más baja que la de la primera.

La acción de un transformador hace posible la transmisión rentable de energía

eléctrica a lo largo de grandes distancias. Si se quieren suministrar 200.000 vatios de

potencia a una línea eléctrica, puede hacerse con un voltaje de 200.000 voltios y una

corriente de 1 amperio o con un voltaje de 2.000 voltios y una corriente de 100

amperios, ya que la potencia es igual al producto de tensión y corriente. La potencia

perdida en la línea por calentamiento es igual al cuadrado de la intensidad de la

corriente multiplicado por la resistencia. Por ejemplo, si la resistencia de la línea es

de 10 ohmios, la pérdida de potencia con 200.000 voltios será de 10 vatios, mientras

que con 2.000 voltios será de 100.000 vatios, o sea, la mitad de la potencia

disponible. Véase Generación y transporte de electricidad.

En un circuito de corriente alterna, el campo magnético en torno a una bobina varía

constantemente, y la bobina obstaculiza continuamente el flujo de corriente en el

circuito debido a la autoinducción. La relación entre el voltaje aplicado a una bobina

ideal (es decir, sin resistencia) y la intensidad que fluye por dicha bobina es tal que la

intensidad es nula cuando el voltaje es máximo, y es máxima cuando el voltaje es

nulo. Además, el campo magnético variable induce una diferencia de potencial en la

bobina de igual magnitud y sentido opuesto a la diferencia de potencial aplicada. En

la práctica, las bobinas siempre presentan resistencia y capacidad además de

autoinducción. Véase Inducción (electricidad).

Si en un circuito de corriente alterna se coloca un condensador (también llamado

capacitor) la intensidad de corriente es proporcional al tamaño del condensador y a

la velocidad de variación del voltaje en el mismo. Por tanto, por un condensador cuya

capacidad es de 2 faradios pasará el doble de intensidad que por uno de 1 faradio. En

un condensador ideal, el voltaje está totalmente desfasado con la intensidad. Cuando

el voltaje es máximo no fluye intensidad, porque la velocidad de cambio de voltaje es

nula. La intensidad es máxima cuando el voltaje es nulo, porque en ese punto la

velocidad de variación del voltaje es máxima. A través de un condensador circula

intensidad —aunque no existe una conexión eléctrica directa entre sus placas—

porque el voltaje de una placa induce una carga opuesta en la otra.

De los efectos indicados se deduce que si se aplica un voltaje alterno a una bobina o

condensador ideales, no se consume potencia. No obstante, en todos los casos

prácticos los circuitos de corriente alterna presentan resistencia además de

autoinducción y capacidad, y se consume potencia. Esta potencia consumida

depende de la proporción relativa de las tres magnitudes en el circuito.

9 HISTORIA

Es posible que el filósofo griego Tales de Mileto, que vivió en torno al 600 a.C., ya

supiera que el ámbar adquiere la propiedad de atraer objetos ligeros al ser frotado.

Otro filósofo griego, Teofrasto, afirmaba en un tratado escrito tres siglos después que

otras sustancias poseen esa propiedad. Sin embargo, el primer estudio científico de

los fenómenos eléctricos no apareció hasta el 1600 d.C., cuando se publicaron las

investigaciones del médico británico William Gilbert, quien aplicó el término

‘eléctrico’ (del griego elektron, ‘ámbar’) a la fuerza que ejercen esas sustancias

después de ser frotadas. También distinguió entre las acciones magnética y eléctrica.

La primera máquina para producir una carga eléctrica fue descrita en 1672 por el

físico alemán Otto von Guericke. Estaba formada por una esfera de azufre movida

por una manivela, sobre la que se inducía una carga cuando se apoyaba la mano

sobre ella. El científico francés Charles François de Cisternay Du Fay fue el primero

en distinguir claramente los dos tipos diferentes de carga eléctrica: positiva y

negativa. El condensador más antiguo, la botella de Leyden, fue desarrollado en

1745. Estaba formado por una botella de vidrio recubierta por dos láminas de papel

de estaño, una en el interior y otra en el exterior. Si se cargaba una de las láminas

con una máquina electrostática, se producía una descarga violenta si se tocaban

ambas láminas a la vez.

El inventor estadounidense Benjamin Franklin dedicó mucho tiempo a la

investigación de la electricidad. Su famoso experimento con una cometa o papalote

demostró que la electricidad atmosférica que provoca los fenómenos del relámpago y

el trueno es de la misma naturaleza que la carga electrostática de una botella de

Leyden. Franklin desarrolló una teoría según la cual la electricidad es un ‘fluido’ único

que existe en toda la materia, y sus efectos pueden explicarse por el exceso o la

escasez de ese fluido.

La ley de que la fuerza entre cargas eléctricas es inversamente proporcional al

cuadrado de la distancia entre las cargas fue demostrada experimentalmente por el

químico británico Joseph Priestley alrededor de 1766. Priestley también demostró que

una carga eléctrica se distribuye uniformemente sobre la superficie de una esfera

metálica hueca, y que en el interior de una esfera así no existen cargas ni campos

eléctricos. Charles de Coulomb inventó una balanza de torsión para medir con

precisión la fuerza que se ejerce entre las cargas eléctricas. Con ese aparato

confirmó las observaciones de Priestley y demostró que la fuerza entre dos cargas

también es proporcional al producto de las cargas individuales. Faraday, que realizó

numerosas contribuciones al estudio de la electricidad a principios del siglo XIX,

también desarrolló la teoría de las líneas de fuerza eléctricas.

Los físicos italianos Luigi Galvani y Alessandro Volta llevaron a cabo los primeros

experimentos importantes con corrientes eléctricas. Galvani produjo contracciones

musculares en las patas de una rana aplicándoles una corriente eléctrica. En 1800,

Volta presentó la primera fuente electroquímica artificial de diferencia de potencial,

un tipo de pila eléctrica o batería. La existencia de un campo magnético en torno a

un flujo de corriente eléctrica fue demostrada por el científico danés Hans Christian

Oersted en 1819, y en 1831 Faraday demostró que la corriente que circula por una

espira de cable puede inducir electromagnéticamente una corriente en una espira

cercana. Alrededor de 1840, James Prescott Joule y el científico alemán Hermann von

Helmholtz demostraron que los circuitos eléctricos cumplen la ley de conservación de

la energía, y que la electricidad es una forma de energía.

El físico matemático británico James Clerk Maxwell realizó una contribución

importante al estudio de la electricidad en el siglo XIX; Maxwell investigó las

propiedades de las ondas electromagnéticas y la luz y desarrolló la teoría de que

ambas tienen la misma naturaleza. Su trabajo abrió el camino al físico alemán

Heinrich Hertz, que produjo y detectó ondas eléctricas en la atmósfera en 1886, y al

ingeniero italiano Guglielmo Marconi, que en 1896 empleó esas ondas para producir

el primer sistema práctico de señales de radio.

La teoría de los electrones, que forma la base de la teoría eléctrica moderna, fue

presentada por el físico holandés Hendrik Antoon Lorentz en 1892. El primero en

medir con precisión la carga del electrón fue el físico estadounidense Robert Andrews

Millikan, en 1909. El uso generalizado de la electricidad como fuente de energía se

debe en gran medida a ingenieros e inventores pioneros de Estados Unidos, como

Thomas Alva Edison, Nikola Tesla o Charles Proteus Steinmetz.

Véase Electrónica.

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CondensadorCondensador, dispositivo que almacena carga eléctrica. En su forma más sencilla, un

condensador está formado por dos placas metálicas (armaduras) separadas por una

lámina no conductora o dieléctrico. Al conectar una de las placas a un generador,

ésta se carga e induce una carga de signo opuesto en la otra placa. La botella de

Leyden es un condensador simple en el que las dos placas conductoras son finos

revestimientos metálicos dentro y fuera del cristal de la botella, que a su vez es el

dieléctrico. La magnitud que caracteriza a un condensador es su capacidad, cantidad

de carga eléctrica que puede almacenar a una diferencia de potencial determinado.

Los condensadores tienen un límite para la carga eléctrica que pueden almacenar,

pasado el cual se perforan. Pueden conducir corriente continua durante sólo un

instante, aunque funcionan bien como conductores en circuitos de corriente alterna.

Esta propiedad los convierte en dispositivos muy útiles cuando debe impedirse que la

corriente continua entre a determinada parte de un circuito eléctrico. Los

condensadores de capacidad fija y capacidad variable se utilizan junto con las

bobinas, formando circuitos en resonancia, en las radios y otros equipos electrónicos.

Además, en los tendidos eléctricos se utilizan grandes condensadores para producir

resonancia eléctrica en el cable y permitir la transmisión de más potencia.

Los condensadores se fabrican en gran variedad de formas. El aire, la mica, la

cerámica, el papel, el aceite y el vacío se usan como dieléctricos, según la utilidad

que se pretenda dar al dispositivo.


Capacidad eléctricaCapacidad eléctrica, relación constante entre la carga eléctrica que recibe un

conductor y el potencial que adquiere. La capacidad de un condensador se mide en

faradios y viene expresada por la fórmula C = q/V, donde q es la carga (en

culombios) de uno de los dos conductores, y V es la diferencia de potencial (en

voltios) entre ambos. La capacidad depende sólo de la superficie de los conductores

y del espesor y la naturaleza del dieléctrico del condensador.


DieléctricoDieléctrico, sustancia que es mala conductora de la electricidad y que amortiguará la

fuerza de un campo eléctrico que la atraviese. Las sustancias conductoras carecen

de esta propiedad de amortiguación. Dos cuerpos de cargas opuestas situados a

cada lado de un trozo de vidrio (un dieléctrico) se atraerán entre sí, pero si entre

ambos cuerpos se coloca una lámina de cobre, la carga será conducida por el metal.

En la mayoría de los casos, las propiedades de un dieléctrico son producto de la

polarización de la sustancia. Al colocar un dieléctrico en un campo eléctrico, los

electrones y protones que constituyen sus átomos se reorientarán a sí mismos, y en

algunos casos las moléculas se polarizarán de igual modo. Como resultado de esta

polarización, el dieléctrico queda sometido a una tensión, almacenando energía que

quedará disponible al retirar el campo eléctrico. La polarización de un dieléctrico es

similar a la que se produce al magnetizar un trozo de hierro. Como en el caso de un

imán, parte de la polarización se mantiene al retirar la fuerza polarizadora. Un

dieléctrico compuesto de un disco de parafina endurecido al someterlo a una tensión

eléctrica mantendrá su polarización durante años. Estos dieléctricos se denominan

electretos.

La eficacia de los dieléctricos se mide por su relativa capacidad de almacenar

energía y se expresa en términos de constante dieléctrica (también denominada

permitividad relativa), tomando como unidad el valor del vacío. Los valores de esa

constante varían desde poco más de 1 en la atmósfera hasta 100 o más en ciertas

cerámicas que contienen óxido de titanio. El vidrio, la mica, la porcelana y los aceites

minerales, que a menudo se utilizan como dieléctricos, tienen constantes entre 2 y 9.

La capacidad de un dieléctrico de soportar campos eléctricos sin perder sus

propiedades aislantes se denomina resistencia de aislamiento o rigidez dieléctrica.

Un buen dieléctrico debe devolver un gran porcentaje de la energía almacenada en él

al invertir el campo. Los dieléctricos, especialmente los que tienen constantes

dieléctricas altas, se emplean ampliamente en todas las ramas de la ingeniería

eléctrica para incrementar la eficacia de los condensadores. Véase Aislante.


Efecto JouleEfecto Joule, producción de calor en un conductor cuando circula una corriente

eléctrica a través del mismo. La energía eléctrica se transforma en energía térmica

debido a los continuos choques de los electrones móviles contra los iones metálicos

del conductor, produciéndose un intercambio de energía cinética, que provoca un

aumento de temperatura del conductor.

El efecto Joule se interpreta considerando todos los procesos energéticos que tienen

lugar. En el generador se crea un campo eléctrico a expensas de energía química o

mecánica. Esta energía se emplea en acelerar los electrones del metal,

comunicándoles energía cinética. Los electrones pierden parte de esta energía en los

inevitables choques con los átomos que constituyen el metal; estos átomos pueden

oscilar alrededor de sus posiciones de equilibrio en la red metálica, y al incrementar

su energía cinética de oscilación o de vibración se eleva la temperatura del

conductor.

La cantidad de calor, Q, producida al paso de una corriente eléctrica por un

conductor es proporcional a la resistencia, R, al cuadrado de la intensidad, I, y al

tiempo, t:

Q = I2·R·t

La calefacción eléctrica, el alumbrado eléctrico por incandescencia, los fusibles y el

arco voltaico son algunas de las aplicaciones del efecto Joule.


Circuito eléctrico1 INTRODUCCIÓN

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.

2 LEY DE OHM

La corriente fluye por un circuito eléctrico siguiendo varias leyes definidas. 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 la fuerza

electromotriz 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 adicional

es

que incluyen inductancias y capacitancias.

Un circuito en serie es aquél en que los dispositivos o elementos del circuito están

dispuestos de tal manera que la totalidad de la corriente pasa a través de cada

elemento sin división ni derivación en circuitos paralelos.

Cuando en un circuito hay dos o más resistencias en serie, la resistencia total se

calcula sumando los valores de dichas resistencias. Si las resistencias están en

paralelo, el valor total de la resistencia del circuito se obtiene mediante la fórmula

En un circuito en paralelo los dispositivos eléctricos, por ejemplo las lámparas

incandescentes o las celdas de una batería, están dispuestos de manera que todos

los polos, electrodos y terminales positivos (+) se unen en un único conductor, y

todos los negativos (-) en otro, de forma que cada unidad se encuentra, en realidad,

en una derivación paralela. El valor de dos resistencias iguales en paralelo es igual a

la mitad del valor de las resistencias componentes y, en cada caso, el valor de las

resistencias en paralelo es menor que el valor de la más pequeña de cada una de las

resistencias implicadas. En los circuitos de CA, o circuitos de corrientes variables,

deben considerarse otros componentes del circuito además de la resistencia.

3 LEYES DE KIRCHHOFF

Si un circuito tiene un número de derivaciones interconectadas, es necesario aplicar

otras dos leyes para obtener el flujo de corriente que recorre las distintas

derivaciones. Estas leyes, descubiertas por el físico alemán Gustav Robert Kirchhoff,

son conocidas como las leyes de Kirchhoff. La primera, la ley de los nudos, enuncia

que en cualquier unión en un circuito a través del cual fluye una corriente constante,

la suma de las intensidades que llegan a un nudo es igual a la suma de las

intensidades que salen del mismo. La segunda ley, la ley de las mallas afirma que,

comenzando por cualquier punto de una red y siguiendo cualquier trayecto cerrado

de vuelta al punto inicial, la suma neta de las fuerzas electromotrices halladas será

igual a la suma neta de los productos de las resistencias halladas y de las

intensidades que fluyen a través de ellas. Esta segunda ley es sencillamente una

ampliación de la ley de Ohm.

4 IMPEDANCIA

La aplicación de la ley de Ohm a los circuitos en los que existe una corriente alterna

se complica por el hecho de que siempre estarán presentes la capacitancia y la

inductancia. La inductancia hace que el valor máximo de una corriente alterna sea

menor que el valor máximo de la tensión; la capacitancia hace que el valor máximo

de la tensión sea menor que el valor máximo de la corriente. La capacitancia y la

inductancia inhiben el flujo de corriente alterna y deben tomarse en cuenta al

calcularlo. La intensidad de corriente en los circuitos de CA puede determinarse

gráficamente mediante vectores o con la ecuación algebraica

en la que L es la inductancia, C la capacitancia y f la frecuencia de la corriente. El

valor obtenido en el denominador de la fracción se denomina impedancia del circuito

y suele representarse por la letra Z. Por consiguiente, la ley de Ohm para los circuitos

integrados suele expresarse por la ecuación sencilla I = / Z.


Magnetismo1 INTRODUCCIÓN

Magnetismo, uno de los aspectos del electromagnetismo, que es una de las fuerzas

fundamentales de la naturaleza. Las fuerzas magnéticas son producidas por el

movimiento de partículas cargadas, como por ejemplo electrones, lo que indica la

estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo. El marco que aúna ambas

fuerzas se denomina teoría electromagnética (véase Radiación electromagnética). La

manifestación más conocida del magnetismo es la fuerza de atracción o repulsión

que actúa entre los materiales magnéticos como el hierro. Sin embargo, en toda la

materia se pueden observar efectos más sutiles del magnetismo. Recientemente,

estos efectos han proporcionado claves importantes para comprender la estructura

atómica de la materia.

2 HISTORIA DE SU ESTUDIO

El fenómeno del magnetismo se conoce desde tiempos antiguos. La piedra imán o

magnetita, un óxido de hierro que tiene la propiedad de atraer los objetos de hierro,

ya era conocida por los griegos, los romanos y los chinos. Cuando se pasa una piedra

imán por un pedazo de hierro, éste adquiere a su vez la capacidad de atraer otros

pedazos de hierro. Los imanes así producidos están ‘polarizados’, es decir, cada uno

de ellos tiene dos partes o extremos llamados polos norte y sur. Los polos iguales se

repelen, y los polos opuestos se atraen.

La brújula se empezó a utilizar en Occidente como instrumento de navegación

alrededor del 1300 d.C. En el siglo XIII, el erudito francés Petrus Peregrinus realizó

importantes investigaciones sobre los imanes. Sus descubrimientos no se superaron

en casi 300 años, hasta que el físico y médico británico William Gilbert publicó su

libro, De magnete en 1600. Gilbert aplicó métodos científicos al estudio de la

electricidad y el magnetismo. Observó que la Tierra también se comporta como un

imán gigante, y a través de una serie de experimentos investigó y refutó varios

conceptos incorrectos sobre el magnetismo aceptados en la época. Posteriormente,

en 1750, el geólogo británico John Michell inventó una balanza que utilizó para

estudiar las fuerzas magnéticas. Michell demostró que la atracción o repulsión entre

dos polos magnéticos disminuye a medida que aumenta el cuadrado de la distancia

entre ellos. El físico francés Charles de Coulomb, que había medido las fuerzas entre

cargas eléctricas, verificó posteriormente la observación de Michell con una gran

precisión.

3 TEORÍA ELECTROMAGNÉTICA

A finales del siglo XVIII y principios del XIX se investigaron simultáneamente las

teorías de la electricidad y el magnetismo. En 1819, el físico danés Hans Christian

Oersted llevó a cabo un importante descubrimiento al observar que una aguja

magnética podía ser desviada por una corriente eléctrica. Este descubrimiento, que

mostraba una conexión entre la electricidad y el magnetismo, fue desarrollado por el

científico francés André Marie Ampère, que estudió las fuerzas entre cables por los

que circulan corrientes eléctricas, y por el físico francés Dominique François Arago,

que magnetizó un pedazo de hierro colocándolo cerca de un cable recorrido por una

corriente. En 1831, el científico británico Michael Faraday descubrió que el

movimiento de un imán en las proximidades de un cable induce en éste una corriente

eléctrica; este efecto era inverso al hallado por Oersted. Así, Oersted demostró que

una corriente eléctrica crea un campo magnético, mientras que Faraday demostró

que puede emplearse un campo magnético para crear una corriente eléctrica. La

unificación plena de las teorías de la electricidad y el magnetismo se debió al físico

británico James Clerk Maxwell, que predijo la existencia de ondas electromagnéticas

e identificó la luz como un fenómeno electromagnético (véase Física).

Los estudios posteriores sobre el magnetismo se centraron cada vez más en la

comprensión del origen atómico y molecular de las propiedades magnéticas de la

materia. En 1905, el físico francés Paul Langevin desarrolló una teoría sobre la

variación con la temperatura de las propiedades magnéticas de las sustancias

paramagnéticas (ver más adelante), basada en la estructura atómica de la materia.

Esta teoría es uno de los primeros ejemplos de la descripción de propiedades

macroscópicas a partir de las propiedades de los electrones y los átomos.

Posteriormente, la teoría de Langevin fue ampliada por el físico francés Pierre Ernst

Weiss, que postuló la existencia de un campo magnético interno, molecular, en los

materiales como el hierro. Este concepto, combinado con la teoría de Langevin, sirvió

para explicar las propiedades de los materiales fuertemente magnéticos como la

piedra imán.

Después de que Weiss presentara su teoría, las propiedades magnéticas se

estudiaron de forma cada vez más detallada. La teoría del físico danés Niels Bohr

sobre la estructura atómica, por ejemplo, hizo que se comprendiera la tabla periódica

y mostró por qué el magnetismo aparece en los elementos de transición, como el

hierro, en los lantánidos o en compuestos que incluyen estos elementos. Los físicos

estadounidenses Samuel Abraham Goudsmit y George Eugene Uhlenbeck

demostraron en 1925 que los electrones tienen espín y se comportan como pequeños

imanes con un ‘momento magnético’ definido. El momento magnético de un objeto

es una magnitud vectorial (véase Vector) que expresa la intensidad y orientación del

campo magnético del objeto. El físico alemán Werner Heisenberg dio una explicación

detallada del campo molecular de Weiss en 1927, basada en la recientemente

desarrollada mecánica cuántica (véase Teoría cuántica). Más tarde, otros científicos

predijeron muchas estructuras atómicas del momento magnético más complejas, con

diferentes propiedades magnéticas.

4 EL CAMPO MAGNÉTICO

Una barra imantada o un cable que transporta corriente pueden influir en otros

materiales magnéticos sin tocarlos físicamente porque los objetos magnéticos

producen un ‘campo magnético’. Los campos magnéticos suelen representarse

mediante ‘líneas de campo magnético’ o ‘líneas de fuerza’. En cualquier punto, la

dirección del campo magnético es igual a la dirección de las líneas de fuerza, y la

intensidad del campo es inversamente proporcional al espacio entre las líneas. En el

caso de una barra imantada, las líneas de fuerza salen de un extremo y se curvan

para llegar al otro extremo; estas líneas pueden considerarse como bucles cerrados,

con una parte del bucle dentro del imán y otra fuera. En los extremos del imán,

donde las líneas de fuerza están más próximas, el campo magnético es más intenso;

en los lados del imán, donde las líneas de fuerza están más separadas, el campo

magnético es más débil. Según su forma y su fuerza magnética, los distintos tipos de

imán producen diferentes esquemas de líneas de fuerza. La estructura de las líneas

de fuerza creadas por un imán o por cualquier objeto que genere un campo

magnético puede visualizarse utilizando una brújula o limaduras de hierro. Los

imanes tienden a orientarse siguiendo las líneas de campo magnético. Por tanto, una

brújula, que es un pequeño imán que puede rotar libremente, se orientará en la

dirección de las líneas. Marcando la dirección que señala la brújula al colocarla en

diferentes puntos alrededor de la fuente del campo magnético, puede deducirse el

esquema de líneas de fuerza. Igualmente, si se agitan limaduras de hierro sobre una

hoja de papel o un plástico por encima de un objeto que crea un campo magnético,

las limaduras se orientan siguiendo las líneas de fuerza y permiten así visualizar su

estructura.

Los campos magnéticos influyen sobre los materiales magnéticos y sobre las

partículas cargadas en movimiento. En términos generales, cuando una partícula

cargada se desplaza a través de un campo magnético, experimenta una fuerza que

forma ángulos rectos con la velocidad de la partícula y con la dirección del campo.

Como la fuerza siempre es perpendicular a la velocidad, las partículas se mueven en

trayectorias curvas. Los campos magnéticos se emplean para controlar las

trayectorias de partículas cargadas en dispositivos como los aceleradores de

partículas o los espectrógrafos de masas.

5 TIPOS DE MATERIALES MAGNÉTICOS

Las propiedades magnéticas de los materiales se clasifican siguiendo distintos

criterios.

Una de las clasificaciones de los materiales magnéticos —que los divide en

diamagnéticos, paramagnéticos y ferromagnéticos— se basa en la reacción del

material ante un campo magnético. Cuando se coloca un material diamagnético en

un campo magnético, se induce en él un momento magnético de sentido opuesto al

campo. En la actualidad se sabe que esta propiedad se debe a las corrientes

eléctricas inducidas en los átomos y moléculas individuales. Estas corrientes

producen momentos magnéticos opuestos al campo aplicado. Muchos materiales son

diamagnéticos; los que presentan un diamagnetismo más intenso son el bismuto

metálico y las moléculas orgánicas que, como el benceno, tienen una estructura

cíclica que permite que las corrientes eléctricas se establezcan con facilidad.

El comportamiento paramagnético se produce cuando el campo magnético aplicado

alinea todos los momentos magnéticos ya existentes en los átomos o moléculas

individuales que componen el material. Esto produce un momento magnético global

que se suma al campo magnético. Los materiales paramagnéticos suelen contener

elementos de transición o lantánidos con electrones desapareados. El

paramagnetismo en sustancias no metálicas suele caracterizarse por una

dependencia de la temperatura: la intensidad del momento magnético inducido varía

inversamente con la temperatura. Esto se debe a que al ir aumentando la

temperatura, cada vez resulta más difícil alinear los momentos magnéticos de los

átomos individuales en la dirección del campo magnético.

Las sustancias ferromagnéticas son las que, como el hierro, mantienen un momento

magnético incluso cuando el campo magnético externo se hace nulo. Este efecto se

debe a una fuerte interacción entre los momentos magnéticos de los átomos o

electrones individuales de la sustancia magnética, que los hace alinearse de forma

paralela entre sí. En circunstancias normales, los materiales ferromagnéticos están

divididos en regiones llamadas ‘dominios’; en cada dominio, los momentos

magnéticos atómicos están alineados en paralelo. Los momentos de dominios

diferentes no apuntan necesariamente en la misma dirección. Aunque un trozo de

hierro normal puede no tener un momento magnético total, puede inducirse su

magnetización colocándolo en un campo magnético, que alinea los momentos de

todos los dominios. La energía empleada en la reorientación de los dominios desde el

estado magnetizado hasta el estado desmagnetizado se manifiesta en un desfase de

la respuesta al campo magnético aplicado, conocido como ‘histéresis’.

Un material ferromagnético acaba perdiendo sus propiedades magnéticas cuando se

calienta. Esta pérdida es completa por encima de una temperatura conocida como

punto de Curie, llamada así en honor del físico francés Pierre Curie, que descubrió el

fenómeno en 1895. (El punto de Curie del hierro metálico es de unos 770 °C).

6 OTROS ORDENAMIENTOS MAGNÉTICOS

En los últimos años, una mejor comprensión de los orígenes atómicos de las

propiedades magnéticas ha llevado al descubrimiento de otros tipos de

ordenamiento magnético. Se conocen casos en los que los momentos magnéticos

interactúan de tal forma que les resulta energéticamente favorable alinearse entre sí

en sentido antiparalelo; estos materiales se llaman antiferromagnéticos. Existe una

temperatura análoga al punto de Curie, llamada temperatura de Néel, por encima de

la cual desaparece el orden antiferromagnético.

También se han hallado otras configuraciones más complejas de los momentos

magnéticos atómicos. Las sustancias ‘ferrimagnéticas’ tienen al menos dos clases

distintas de momento magnético atómico, que se orientan de forma antiparalela.

Como ambos momentos tienen magnitudes diferentes, persiste un momento

magnético neto, al contrario que en un material antiferromagnético, donde todos los

momentos magnéticos se anulan entre sí. Curiosamente, la piedra imán es

ferrimagnética, y no ferromagnética; en este mineral existen dos tipos de ion hierro,

con momentos magnéticos diferentes. Se han encontrado disposiciones aún más

complejas en las que los momentos magnéticos están ordenados en espiral. Los

estudios de estos ordenamientos han proporcionado mucha información sobre las

interacciones entre los momentos magnéticos en sólidos.

7 APLICACIONES

En los últimos 100 años han surgido numerosas aplicaciones del magnetismo y de los

materiales magnéticos. El electroimán, por ejemplo, es la base del motor eléctrico y

el transformador. En épocas más recientes, el desarrollo de nuevos materiales

magnéticos ha influido notablemente en la revolución de los ordenadores o

computadoras. Es posible fabricar memorias de computadora utilizando ‘dominios

burbuja’. Estos dominios son pequeñas regiones de magnetización, paralelas o

antiparalelas a la magnetización global del material. Según que el sentido sea uno u

otro, la burbuja indica un uno o un cero, por lo que actúa como dígito en el sistema

binario empleado por los ordenadores. Los materiales magnéticos también son

componentes importantes de las cintas y discos para almacenar datos.

Los imanes grandes y potentes son cruciales en muchas tecnologías modernas. Los

trenes de levitación magnética utilizan poderosos imanes para elevarse por encima

de los raíles y evitar el rozamiento. En la exploración mediante resonancia magnética

nuclear, una importante herramienta de diagnóstico empleada en medicina, se

utilizan campos magnéticos de gran intensidad. Los imanes superconductores se

emplean en los aceleradores de partículas más potentes para mantener las partículas

aceleradas en una trayectoria curva y enfocarlas.


Imán (física)Imán (física), sustancia que, por condición natural o adquirida, tiene la propiedad de

atraer al hierro.

La magnetita o piedra imán es un imán natural compuesto, fundamentalmente, de

óxido de hierro (Fe3O4). Se puede imanar un trozo de hierro sometiéndolo a un campo

magnético creado por un imán o por una corriente eléctrica (véase Magnetismo). El

hierro dulce (hierro con muy bajo contenido en carbono) se convierte en un imán

artificial que pierde su magnetismo cuando deja de estar en contacto con el primer

imán (o, como en el caso de un electroimán, cuando deja de pasar la corriente

eléctrica por el arrollamiento conductor). El acero imanado es un imán artificial

permanente porque sí conserva su magnetismo.

Si un imán se coloca entre limaduras de hierro, éstas se agrupan alrededor de sus

extremos o polos, llamados polo norte y polo sur. Si se fragmenta un imán, cada

fragmento presenta de nuevo un polo norte y un polo sur.


ElectroimánElectroimán, dispositivo que consiste en un solenoide (una bobina cilíndrica de

alambre recubierta de una capa aislante y arrollado en forma de espiral), en cuyo

interior se coloca un núcleo de hierro. Si una corriente eléctrica recorre la bobina, se

crea un fuerte campo magnético en su interior, paralelo a su eje. Al colocar el núcleo

de hierro en este campo los dominios microscópicos que forman las partículas de

hierro, que pueden considerarse pequeños imanes permanentes, se alinean en la

dirección del campo, aumentando de forma notable la fuerza del campo magnético

generado por el solenoide. La imantación del núcleo alcanza la saturación cuando

todos los dominios están alineados, por lo que el aumento de la corriente tiene poco

efecto sobre el campo magnético. Si se interrumpe la corriente, los dominios se

redistribuyen y sólo se mantiene un débil magnetismo residual.

Los electroimanes se utilizan mucho en tecnología; son los componentes

fundamentales de cortacircuitos y relés (véase Generación y transporte de

electricidad) y se aplican a frenos y embragues electromagnéticos. En los ciclotrones

se utilizan enormes electroimanes con núcleos de varios metros de diámetro (véase

Aceleradores de partículas); también se utilizan potentes electroimanes para levantar

hierro y chatarra.


Campo magnéticoCampo magnético, región del espacio donde se ponen de manifiesto los fenómenos

magnéticos. Se representa por el vector B, inducción magnética.

La región del espacio situada en las proximidades de un imán o de una carga

eléctrica en movimiento posee unas propiedades especiales. Se observa

experimentalmente que cuando una carga tiene una velocidad v en las proximidades

de un imán o de otra carga eléctrica en movimiento, existe una fuerza adicional

sobre ella que es proporcional al valor de la carga, Q, al módulo de la velocidad, v, y

al módulo de la inducción magnética, B. La dirección y sentido de la fuerza dependen

de la dirección y sentido relativos de los vectores velocidad e inducción magnética.

Así, se dice que en un punto de una región del espacio existe un campo magnético B,

si al situar en dicho punto una carga que se mueve con velocidad v, aparece sobre

ella una fuerza que viene dada por la expresión:

F = Q (v × B)

Por convenio se admite que la dirección del campo magnético es aquella en que la

fuerza que actúa sobre la carga resulta ser nula.

La unidad de inducción magnética en el Sistema Internacional de unidades es el

tesla, T. Una carga de un culombio que se mueve con una velocidad de un metro por

segundo perpendicular a un campo magnético de un tesla experimenta la fuerza de

un newton.


Curva normalCurva normal, también denominada curva o campana de Gauss, en honor al

matemático alemán Carl Friedrich Gauss, es la distribución media o promedio de las

características de una población, cuya gráfica produce una figura tipo acampanada.

La curva normal es una distribución continua de frecuencia de rango infinito, como la

que se obtiene cuando se persigue un objetivo sometido a desviación por error. Su

importancia y su gráfica asociada se debe a la enorme frecuencia con que aparece

en todo tipo de situaciones. Por ejemplo, cuando se busca dar en una diana, si se

intenta acertar, la mayor parte de los disparos tenderán a acumularse en las franjas

intermedias, tendiendo a ser menos frecuentes en el punto de mayor valor (centro de

la diana) y en las zonas periféricas. El gráfico representa la distribución de los

errores; la media o promedio es el objetivo, y la desviación típica indica la dispersión

de los errores (la raíz cuadrada de la varianza). Véase también Estadística.

La distribución de muchas variables, como los caracteres morfológicos de individuos

—altura, peso o longevidad—, caracteres fisiológicos, sociológicos, psicológicos o

físicos y, en general, cualquier característica que se obtenga como suma de muchos

factores, sigue la curva normal. Cuando se miden los valores de la inteligencia se

asume que su valor promedio en una determinada población es 100 y que el valor de

su desviación típica es 15.

En Europa, la distribución normal se conoce también como ‘distribución gaussiana’,

‘laplaciana o gaussiana-laplaciana’, o ‘segunda ley de Laplace‘. En 1753 fue enunciada por el matemático francés Abraham de

Moivre como el caso límite de la distribución binomial.


Solenoide1 INTRODUCCIÓN

Solenoide, hilo metálico arrollado que, recorrido por una corriente eléctrica, se

comporta como un imán.

2 HISTORIA

Aunque las características esenciales de los imanes se conocían desde la antigüedad,

las propiedades magnéticas de la materia no fueron estudiadas hasta comienzos del

siglo XIX. En 1819, el danés Christian Oersted demostró que un hilo conductor

recorrido por una corriente eléctrica desviaba una aguja magnética, por lo que el hilo

actuaba como un imán. El año siguiente, el francés André Ampère asistió a una

reproducción del experimento de Oersted y dedujo la primera teoría del

electromagnetismo, estableciendo las fórmulas que permiten el cálculo de las fuerzas

entre conductores.

3 DESCRIPCIÓN

Cuando se sitúa una aguja imantada cerca de un solenoide, es desviada de modo que

su dirección tienda a ser paralela al eje de las espiras del solenoide. Desplazando la

aguja alrededor de la bobina, o espolvoreando limaduras de hierro sobre un plano

que atraviesa la bobina, es posible dibujar las líneas de fuerza del campo magnético

creado por el solenoide. Cuando el solenoide tiene la forma de un cilindro muy largo,

el campo magnético en el interior del mismo es prácticamente uniforme lejos de sus

extremos, paralelo al eje del solenoide y proporcional a la intensidad de la corriente

eléctrica que recorre el solenoide, así como al número de espiras de la bobina. La

intensidad del campo magnético B puede calcularse según la fórmula

B = µ0NI / L

donde N es el número de espiras, I la intensidad de corriente, L la longitud del

solenoide, y µ0, la llamada permeabilidad magnética del vacío, tiene un valor de

410-7.


Campo eléctricoCampo eléctrico, región del espacio donde se ponen de manifiesto los fenómenos

eléctricos. Se representa por E y es de naturaleza vectorial (véase Vector). En el

Sistema Internacional de unidades el campo eléctrico se mide en newton/culombio

(N/C).

La región del espacio situada en las proximidades de un cuerpo cargado posee unas

propiedades especiales. Si se coloca en cualquier punto de dicha región una carga

eléctrica de prueba, se observa que se encuentra sometida a la acción de una fuerza.

Este hecho se expresa diciendo que el cuerpo cargado ha creado un campo eléctrico.

La intensidad de campo eléctrico en un punto se define como la fuerza que actúa

sobre la unidad de carga situada en él. Si E es la intensidad de campo, sobre una

carga Q actuará una fuerza

F = Q · E

La dirección del campo eléctrico en cualquier punto viene dada por la de la fuerza

que actúa sobre una carga positiva unidad colocada en dicho punto.

Las líneas de fuerza en un campo eléctrico están trazadas de modo que son, en todos

sus puntos, tangentes a la dirección del campo, y su sentido positivo se considera

que es el que partiendo de las cargas positivas termina en las negativas.

La intensidad de un campo eléctrico creado por varias cargas se obtiene sumando

vectorialmente las intensidades de los campos creados por cada carga de forma

individual.


Medidores eléctricos1 INTRODUCCIÓN

Medidores eléctricos, instrumentos que miden magnitudes eléctricas, como

intensidad de corriente, carga, potencial, energía, resistencia eléctrica, capacidad e

inductancia. El resultado de estas medidas se expresa normalmente en una unidad

eléctrica estándar: amperios, culombios, voltios, julios, ohmios, faradios o henrios

(véase Unidades eléctricas). Dado que todas las formas de la materia presentan una

o más características eléctricas es posible tomar mediciones eléctricas de un elevado

número de fuentes.

2 MECANISMOS BÁSICOS DE LOS MEDIDORES

Las magnitudes eléctricas no se pueden medir por observación directa y por ello se

utiliza alguna propiedad de la electricidad para producir una fuerza física susceptible

de ser detectada y medida. Por ejemplo, en el galvanómetro, uno de los primeros

instrumentos de medida que se inventó, la fuerza que se produce entre un campo

magnético y una bobina por la que circula una corriente eléctrica produce una

desviación de la bobina. Dado que la desviación es proporcional a la intensidad de la

corriente se utiliza una escala calibrada para medir la intensidad de la corriente

eléctrica. La acción electromagnética entre corrientes, la fuerza entre cargas

eléctricas y el calentamiento provocado por una resistencia conductora son algunas

de las propiedades de la electricidad utilizadas para obtener mediciones analógicas.

3 CALIBRACIÓN DE LOS MEDIDORES

Para garantizar la uniformidad y la precisión de las medidas de los medidores

eléctricos se calibran de acuerdo con los patrones de medida aceptados para una

determinada unidad eléctrica, como el ohmio, el amperio, el voltio o el vatio.

4 PATRONES PRINCIPALES Y MEDIDAS ABSOLUTAS

Los patrones principales del ohmio y el amperio se basan en definiciones de estas

unidades aceptadas a nivel internacional y basadas en la masa, la longitud del

conductor y el tiempo. Las técnicas de medición que utilizan estas unidades básicas

son precisas y reproducibles. Por ejemplo, las medidas absolutas de amperios

implican la utilización de una especie de balanza que mide la fuerza que se produce

entre un conjunto de bobinas fijas y una bobina móvil. Estas mediciones absolutas de

intensidad de corriente y diferencia de potencial tienen su aplicación principal en el

laboratorio, mientras que en la mayoría de los casos se utilizan medidas relativas.

Todos los medidores que se describen en los párrafos siguientes permiten hacer

lecturas relativas.

5 MEDIDORES DE CORRIENTE

1 Galvanómetros

Los galvanómetros son los instrumentos principales para detectar el paso de una

corriente eléctrica y para medir su intensidad. El mecanismo del galvanómetro está

diseñado de forma que un imán permanente o un electroimán produce un campo

magnético que genera una fuerza en una bobina cercana al imán cuando por ésta

circula una corriente eléctrica. El elemento móvil puede ser el imán o la bobina. La

fuerza inclina el elemento móvil en un grado proporcional a la intensidad de la

corriente.

En los galvanómetros de imán móvil se aprovecha el par de fuerzas que ejerce la

corriente estudiada sobre un pequeño imán móvil. En los galvanómetros de cuadro

móvil se utiliza la acción de un imán fijo sobre una bobina móvil recorrida por una

corriente desconocida.

Un ejemplo de galvanómetro de cuadro móvil es el galvanómetro de inclinación de D

´Arsonval. En este galvanómetro la corriente que se trata de medir circula por una

bobina formada por varias espiras de alambre muy fino, que puede girar en el campo

de un imán por estar suspendida de un alambre muy delgado. Cuando una corriente

eléctrica circula por esta bobina experimenta la acción de un par de fuerzas

proporcional a la corriente. Este par hace girar la bobina hasta que se equilibra por el

par recuperador proporcionado por el alambre al retorcerse. El ángulo de giro se

mide por la desviación experimentada por un haz luminoso que incide sobre un

pequeño espejo unido a la bobina móvil y que es reflejado hacia un dial.

Los galvanómetros tienen denominaciones distintas según la magnitud de la

corriente que pueden medir.

2 Amperímetros

Para que un galvanómetro funcione como amperímetro hay que tener en cuenta que

por el fino hilo de la bobina de un galvanómetro sólo puede circular una intensidad

de corriente pequeña. Si hay que medir intensidades mayores, se acopla una

derivación de baja resistencia, denominada shunt, a los terminales del medidor. La

mayor parte de la corriente pasa por la resistencia de la derivación, pero la pequeña

cantidad que fluye por el medidor sigue siendo proporcional a la intensidad total. Al

utilizar esta proporcionalidad, el galvanómetro se puede emplear para medir

intensidades de varios cientos de amperios.

Un microamperímetro está calibrado en millonésimas de amperio y un

miliamperímetro en milésimas de amperio.

3Galvanómetros de corriente alterna: electrodinamómetros y galvanómetros de resonancia

Los galvanómetros convencionales no se pueden emplear para medir corrientes

alternas porque las oscilaciones de la corriente producirían una inclinación en las dos

direcciones.

Una variante del galvanómetro, el electrodinamómetro, se puede utilizar para medir

corrientes alternas mediante una inclinación electromagnética. Este medidor

contiene una bobina fija situada en serie con una bobina móvil, que se utiliza en lugar

del imán permanente del galvanómetro. Dado que la corriente de la bobina fija y la

móvil se invierte en el mismo momento, la inclinación de la bobina móvil tiene lugar

siempre en el mismo sentido, produciéndose una medición constante de la

intensidad. El electrodinamómetro también sirve para medir corrientes continuas.

El galvanómetro de resonancia es un galvanómetro de cuadro móvil que se utiliza

para detectar y medir corrientes alternas muy débiles. Las características del aparato

se eligen de manera que el cuadro móvil tenga un periodo de oscilación igual al de la

corriente estudiada para que el galvanómetro entre en resonancia con la corriente.

4 Medidores de termopar

Para medir corrientes alternas de alta frecuencia se utilizan medidores que dependen

del efecto calorífico de la corriente. En los medidores de termopar se hace pasar la

corriente por un hilo fino que calienta la unión del termopar. La electricidad generada

por el termopar se mide con un galvanómetro convencional. En los medidores de hilo

incandescente la corriente pasa por un hilo fino que se calienta y se estira. El hilo

está unido a un puntero móvil que se desplaza por una escala calibrada en amperios.

Véase Termoelectricidad.

6 MEDICIÓN DEL VOLTAJE

El instrumento más utilizado para medir la diferencia de potencial (voltaje) es un

galvanómetro que cuenta con una gran resistencia unida en serie a la bobina.

Cuando se conecta un medidor de este tipo a una batería o a dos puntos de un

circuito eléctrico entre los que existe una diferencia de potencial, circula una

cantidad reducida de corriente (limitada por la resistencia en serie) a través del

medidor. La corriente es proporcional al voltaje, que se puede medir si el

galvanómetro se calibra para ello. Cuando se usa el tipo adecuado de resistencias en

serie, un galvanómetro sirve para medir niveles muy distintos de voltajes. El

instrumento más preciso para medir una fuerza electromotriz es el potenciómetro,

que mide esta magnitud al compararla con una fuerza electromotriz variable y de

valor conocido, opuesta a la que se quiere medir.

Para medir voltajes de corriente alterna se utilizan medidores de alterna con alta

resistencia interior, o medidores similares con una fuerte resistencia en serie.

Los demás métodos de medición del voltaje utilizan tubos de vacío y circuitos

electrónicos y resultan muy útiles para hacer mediciones a altas frecuencias. Un

dispositivo de este tipo es el voltímetro de tubo de vacío. En la forma más simple de

este tipo de voltímetro se rectifica una corriente alterna en un tubo de diodo y se

mide la corriente rectificada con un galvanómetro convencional. Otros voltímetros de

este tipo utilizan las características amplificadoras de los tubos de vacío para medir

voltajes muy bajos. El osciloscopio de rayos catódicos se emplea también para hacer

mediciones de voltaje, ya que la inclinación del haz de electrones es proporcional al

voltaje aplicado a las placas o electrodos del tubo.

7 OTROS TIPOS DE MEDICIONES

1 Puente de Wheatstone

Las mediciones más precisas de la resistencia se obtienen con un circuito llamado

puente de Wheatstone, en honor al físico británico Charles Wheatstone. Este circuito

consiste en tres resistencias conocidas y una resistencia desconocida, conectadas

entre sí en forma de diamante. Se aplica una corriente continua a través de dos

puntos opuestos del diamante y se conecta un galvanómetro como detector de cero

a los otros dos puntos. Cuando todas las resistencias se nivelan, las corrientes que

circulan por los dos brazos del circuito se igualan, lo que elimina el paso de corriente

por el galvanómetro. Variando el valor de una de las resistencias conocidas, el

puente se puede ajustar a cualquier valor de la resistencia desconocida, que se

calcula a partir de los valores de las otras resistencias. Se emplean puentes de este

tipo para medir la inductancia y la capacitancia de los componentes de un circuito.

Para ello se sustituyen las resistencias por inductancias y capacitancias conocidas.

Estos puentes se suelen denominar puentes de corriente alterna porque se utilizan

fuentes de corriente alterna en lugar de corriente continua. A menudo los puentes se

nivelan con un timbre en vez de un galvanómetro, que cuando el puente no está

nivelado emite un sonido que corresponde a la frecuencia de la fuente de corriente

alterna; cuando se ha nivelado no se escucha ningún tono.

2 Vatímetros

La potencia consumida por cualquiera de las partes de un circuito se mide con un

vatímetro, un instrumento parecido al electrodinamómetro. El vatímetro tiene su

bobina fija dispuesta de forma que la atraviese toda la intensidad del circuito,

mientras que la bobina móvil se conecta en serie con una resistencia grande y sólo

deja pasar una parte proporcional del voltaje de la fuente. La inclinación resultante

de la bobina móvil depende tanto de la intensidad como del voltaje y se puede

calibrar directamente en vatios, ya que la potencia es el producto del voltaje y la

intensidad de la corriente.

3 Contadores de servicio

El contador de servicio es un dispositivo que mide la energía total consumida en un

circuito eléctrico doméstico. Es parecido al vatímetro, pero se diferencia de éste en

que la bobina móvil se reemplaza por un rotor. El rotor, controlado por un regulador

magnético, gira a una velocidad proporcional a la cantidad de potencia consumida. El

eje del rotor está conectado con engranajes a un conjunto de indicadores que

registran el consumo total en vatios por hora.


Electroquímica1 INTRODUCCIÓN

Electroquímica, parte de la química que trata de la relación entre las corrientes

eléctricas y las reacciones químicas, y de la conversión de la energía química en

eléctrica y viceversa. En un sentido más amplio, la electroquímica es el estudio de las

reacciones químicas que producen efectos eléctricos y de los fenómenos químicos

causados por la acción de las corrientes o voltajes.

2 CORRIENTE ELÉCTRICA Y MOVIMIENTO DE IONES

La mayoría de los compuestos inorgánicos y algunos de los orgánicos se ionizan al

fundirse o cuando se disuelven en agua u otros líquidos; es decir, sus moléculas se

disocian en especies químicas cargadas positiva y negativamente que tienen la

propiedad de conducir la corriente eléctrica (véase Ion; Ionización). Si se coloca un

par de electrodos en una disolución de un electrólito (compuesto ionizable) y se

conecta una fuente de corriente continua entre ellos, los iones positivos de la

disolución se mueven hacia el electrodo negativo y los iones negativos hacia el

positivo. Al llegar a los electrodos, los iones pueden ganar o perder electrones y

transformarse en átomos neutros o moléculas; la naturaleza de las reacciones del

electrodo depende de la diferencia de potencial o voltaje aplicado.

La acción de una corriente sobre un electrólito puede entenderse con un ejemplo

sencillo. Si el sulfato de cobre se disuelve en agua, se disocia en iones cobre

positivos e iones sulfato negativos. Al aplicar una diferencia de potencial a los

electrodos, los iones cobre se mueven hacia el electrodo negativo, se descargan, y se

depositan en el electrodo como átomos de cobre. Los iones sulfato, al descargarse en

el electrodo positivo, son inestables y se combinan con el agua de la disolución

formando ácido sulfúrico y oxígeno. Esta reacción de descomposición producida por

una corriente eléctrica se llama electrólisis.

En todos los casos, la cantidad de material que se deposita en cada electrodo al

pasar la corriente por un electrólito sigue la ley enunciada por el químico físico

británico Michael Faraday. Esta ley afirma que la cantidad de material depositada en

cada electrodo es proporcional a la intensidad de la corriente que atraviesa el

electrólito, y que las masas de distintos elementos depositados por la misma

cantidad de electricidad son directamente proporcionales a las masas equivalentes

de los elementos, es decir, a sus masas atómicas divididas por sus valencias.

Todos los cambios químicos implican una reagrupación o reajuste de los electrones

en las sustancias que reaccionan; por eso puede decirse que dichos cambios son de

carácter eléctrico. Para producir una corriente eléctrica a partir de una reacción

química, es necesario tener un oxidante, es decir, una sustancia que gane electrones

fácilmente, y un reductor, es decir, una sustancia que pierda electrones con facilidad.

Las reacciones de este tipo se pueden entender bien con un ejemplo, el

funcionamiento de un tipo sencillo de pila electroquímica. Al colocar una varilla de

cinc en una disolución diluida de ácido sulfúrico, el cinc, que es un reductor, se oxida

fácilmente, pierde electrones y los iones cinc positivos se liberan en la disolución,

mientras que los electrones libres se quedan en la varilla de cinc. Si se conecta la

varilla por medio de un conductor a un electrodo de metal inerte colocado en la

disolución de ácido sulfúrico, los electrones que están en este circuito fluirán hacia la

disolución, donde serán atrapados por los iones hidrógeno positivos del ácido diluido.

La combinación de iones y electrones produce gas hidrógeno, que aparece como

burbujas en la superficie del electrodo. La reacción de la varilla de cinc y el ácido

sulfúrico produce así una corriente en el circuito externo. Una pila electroquímica de

este tipo se conoce como pila primaria o pila voltaica.

En la batería de acumuladores, o acumulador (conocida comúnmente como pila

secundaria), se proporciona energía eléctrica desde una fuente exterior, que se

almacena en forma de energía química. La reacción química de una pila secundaria

es reversible, es decir, se produce en un sentido cuando se carga la pila, y en sentido

opuesto cuando se descarga. Por ello, una pila secundaria puede descargarse una y

otra vez.

3 APLICACIONES INDUSTRIALES

La descomposición electrolítica es la base de un gran número de procesos de

extracción y fabricación muy importantes en la industria moderna. El hidróxido de

sodio o sosa cáustica (un producto químico importante para la fabricación de papel,

rayón y película fotográfica) se produce por la electrólisis de una disolución de sal

común en agua (véase Álcalis). La reacción produce cloro y sodio. El sodio reacciona

a su vez con el agua de la pila electrolítica produciendo hidróxido de sodio. El cloro

obtenido se utiliza en la fabricación de pasta de madera y papel.

Una aplicación industrial importante de la electrólisis es el horno eléctrico, que se

utiliza para fabricar aluminio, magnesio y sodio. En este horno, se calienta una carga

de sales metálicas hasta que se funde y se ioniza. A continuación, se obtiene el metal

electrolíticamente.

Los métodos electrolíticos se utilizan también para refinar el plomo, el estaño, el

cobre, el oro y la plata. La ventaja de extraer o refinar metales por procesos

electrolíticos es que el metal depositado es de gran pureza. La galvanotecnia, otra

aplicación industrial electrolítica, se usa para depositar películas de metales

preciosos en metales base. También se utiliza para depositar metales y aleaciones en

piezas metálicas que precisen un recubrimiento resistente y duradero. La

electroquímica ha avanzado recientemente desarrollando nuevas técnicas para

colocar capas de material sobre los electrodos, aumentando así su eficacia y

resistencia. Tras el descubrimiento de ciertos polímeros que conducen la electricidad,

es posible fabricar electrodos de polímeros.


Un caso de reacción redox en la que no interviene el oxígeno atmosférico es la reacción que produce la electricidad

en las baterías de plomo:

Pb + PbO2 + 4H+ + 2SO42- ? 2PbSO4 + 2H2O.

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Otra pila alcalina similar a la batería de Edison es la pila de níquel y cadmio o batería de cadmio, en la que el electrodo de hierro se sustituye por uno de cadmio. Produce

también 1,15 V y su vida útil es de unos 25 años.

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los derechos.

Resonancia (electrónica)Resonancia (electrónica), característica de un circuito eléctrico por la cual las

impedancias combinadas de la capacitancia y la inductancia se

anulan o se refuerzan entre sí, dando lugar a impedancias máximas o mínimas. La

impedancia de la corriente alterna equivale a la resistencia de la corriente.

La resonancia aparece con una frecuencia determinada en cada circuito. Esta

frecuencia, denominada frecuencia de resonancia, depende de los valores de

inductancia y de capacitancia del circuito (véase Condensador). Si se aplica un

voltaje alterno con la frecuencia de resonancia a un circuito en que la capacitancia y

la inductancia están conectadas en serie, la impedancia del circuito se reduce al

mínimo y el circuito conduce la cantidad máxima de corriente. Si la capacitancia y la

inductancia se conectan en paralelo, se produce el efecto contrario: la impedancia es

muy elevada y el circuito conduce una cantidad reducida de corriente.

Los circuitos resonantes se utilizan en componentes eléctricos, por ejemplo en filtros,

para seleccionar o rechazar corrientes con frecuencias concretas. Los filtros en que

puede variarse la capacitancia o la inductancia se utilizan para sintonizar receptores

de radio y de televisión a la frecuencia de las emisoras, de forma que el receptor

acepta la frecuencia del emisor y rechaza las demás. Véase Electrónica.


ResistenciaResistencia, 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 llamada 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.

La resistencia de un conductor viene determinada por una propiedad de la sustancia

que lo compone, conocida como conductividad, por la longitud por la superficie

transversal del objeto, así como por la temperatura. A una temperatura dada, la

resistencia es proporcional a la longitud del conductor e inversamente proporcional a

su conductividad y a su superficie transversal. Generalmente, la resistencia de un

material aumenta cuando crece la temperatura.

El término resistencia también se emplea cuando se obstaculiza el flujo de un fluido o

el flujo de calor. El rozamiento crea resistencia al flujo de fluido en una tubería, y el

aislamiento proporciona una resistencia térmica que reduce el flujo de calor desde

una temperatura más alta a una más baja.


Diferencia de potencialDiferencia de potencial, también llamada tensión eléctrica, 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

(VA - VB). La unidad de diferencia de potencial es el voltio (V). Véase Electricidad.

Un generador de corriente eléctrica permite mantener una diferencia de potencial

constante y, en consecuencia, una corriente eléctrica permanente entre los extremos

de un conductor. Sin embargo, para una determinada diferencia de potencial, los

distintos conductores difieren entre sí en el valor de la intensidad de corriente

obtenida, aunque el campo eléctrico sea el mismo. Existe una relación de

proporcionalidad, dada por la ley de Ohm, entre la diferencia de potencial entre los

extremos de un conductor y la intensidad que lo recorre (véase Circuito eléctrico). La

constante de proporcionalidad se denomina resistencia del conductor y su valor

depende de su naturaleza, de sus dimensiones geométricas y de las condiciones

físicas, especialmente de la temperatura.

La diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito se mide con un voltímetro,

instrumento que se coloca siempre en derivación entre los puntos del circuito cuya

diferencia de potencial se quiere medir. Véase Medidores eléctricos.


Circuito eléctrico1 INTRODUCCIÓN

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.

2 LEY DE OHM

La corriente fluye por un circuito eléctrico siguiendo varias leyes definidas. 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 la fuerza

electromotriz 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.

Un circuito en serie es aquél en que los dispositivos o elementos del circuito están

dispuestos de tal manera que la totalidad de la corriente pasa a través de cada

elemento sin división ni derivación en circuitos paralelos.

Cuando en un circuito hay dos o más resistencias en serie, la resistencia total se

calcula sumando los valores de dichas resistencias. Si las resistencias están en

paralelo, el valor total de la resistencia del circuito se obtiene mediante la fórmula

En un circuito en paralelo los dispositivos eléctricos, por ejemplo las lámparas

incandescentes o las celdas de una batería, están dispuestos de manera que todos

los polos, electrodos y terminales positivos (+) se unen en un único conductor, y

todos los negativos (-) en otro, de forma que cada unidad se encuentra, en realidad,

en una derivación paralela. El valor de dos resistencias iguales en paralelo es igual a

la mitad del valor de las resistencias componentes y, en cada caso, el valor de las

resistencias en paralelo es menor que el valor de la más pequeña de cada una de las

resistencias implicadas. En los circuitos de CA, o circuitos de corrientes variables,

deben considerarse otros componentes del circuito además de la resistencia.

3 LEYES DE KIRCHHOFF

Si un circuito tiene un número de derivaciones interconectadas, es necesario aplicar

otras dos leyes para obtener el flujo de corriente que recorre las distintas

derivaciones. Estas leyes, descubiertas por el físico alemán Gustav Robert Kirchhoff,

son conocidas como las leyes de Kirchhoff. La primera, la ley de los nudos, enuncia

que en cualquier unión en un circuito a través del cual fluye una corriente constante,

la suma de las intensidades que llegan a un nudo es igual a la suma de las

intensidades que salen del mismo. La segunda ley, la ley de las mallas afirma que,

comenzando por cualquier punto de una red y siguiendo cualquier trayecto cerrado

de vuelta al punto inicial, la suma neta de las fuerzas electromotrices halladas será

igual a la suma neta de los productos de las resistencias halladas y de las

intensidades que fluyen a través de ellas. Esta segunda ley es sencillamente una

ampliación de la ley de Ohm.

4 IMPEDANCIA

La aplicación de la ley de Ohm a los circuitos en los que existe una corriente alterna

se complica por el hecho de que siempre estarán presentes la capacitancia y la

inductancia. La inductancia hace que el valor máximo de una corriente alterna sea

menor que el valor máximo de la tensión; la capacitancia hace que el valor máximo

de la tensión sea menor que el valor máximo de la corriente. La capacitancia y la

inductancia inhiben el flujo de corriente alterna y deben tomarse en cuenta al

calcularlo. La intensidad de corriente en los circuitos de CA puede determinarse

gráficamente mediante vectores o con la ecuación algebraica

en la que L es la inductancia, C la capacitancia y f la frecuencia de la corriente. El

valor obtenido en el denominador de la fracción se denomina impedancia del circuito

y suele representarse por la letra Z. Por consiguiente, la ley de Ohm para los circuitos

integrados suele expresarse por la ecuación sencilla I = / Z.


Electrónica1 INTRODUCCIÓN

Electrónica, campo de la ingeniería y de la física aplicada relativo al diseño y

aplicación de dispositivos, por lo general circuitos electrónicos, cuyo funcionamiento

depende del flujo de electrones para la generación, transmisión, recepción y

almacenamiento de información. Esta información puede consistir en voz o música

(señales de voz) en un receptor de radio, en una imagen en una pantalla de

televisión, o en números u otros datos en un ordenador o computadora.

Los circuitos electrónicos ofrecen diferentes funciones para procesar esta

información, incluyendo la amplificación de señales débiles hasta un nivel utilizable;

la generación de ondas de radio; la extracción de información, como por ejemplo la

recuperación de la señal de sonido de una onda de radio (demodulación); el control,

como en el caso de la superposición de una señal de sonido a ondas de radio

(modulación), y operaciones lógicas, como los procesos electrónicos que tienen lugar

en las computadoras.

2 ANTECEDENTES HISTÓRICOS

La introducción de los tubos de vacío a comienzos del siglo XX propició el rápido

crecimiento de la electrónica moderna. Con estos dispositivos se hizo posible la

manipulación de señales, algo que no podía realizarse en los antiguos circuitos

telegráficos y telefónicos, ni con los primeros transmisores que utilizaban chispas de

alta tensión para generar ondas de radio. Por ejemplo, con los tubos de vacío se

pudieron amplificar las señales de radio y de sonido débiles, y además podían

superponerse señales de sonido a las ondas de radio. El desarrollo de una amplia

variedad de tubos, diseñados para funciones especializadas, posibilitó el rápido

avance de la tecnología de comunicación radial antes de la II Guerra Mundial, y el

desarrollo de las primeras computadoras, durante la guerra y poco después de ella.

Hoy día, el transistor, inventado en 1948, ha reemplazado casi completamente al

tubo de vacío en la mayoría de sus aplicaciones. Al incorporar un conjunto de

materiales semiconductores y contactos eléctricos, el transistor permite las mismas

funciones que el tubo de vacío, pero con un coste, peso y potencia más bajos, y una

mayor fiabilidad. Los progresos subsiguientes en la tecnología de semiconductores,

atribuible en parte a la intensidad de las investigaciones asociadas con la iniciativa

de exploración del espacio, llevó al desarrollo, en la década de 1970, del circuito

integrado. Estos dispositivos pueden contener centenares de miles de transistores en

un pequeño trozo de material, permitiendo la construcción de circuitos electrónicos

complejos, como los de los microordenadores o microcomputadoras, equipos de

sonido y vídeo, y satélites de comunicaciones.

3 COMPONENTES ELECTRÓNICOS

Los circuitos electrónicos constan de componentes electrónicos interconectados.

Estos componentes se clasifican en dos categorías: activos o pasivos. Entre los

pasivos se incluyen los reóstatos, los condensadores y los inductores. Los

considerados activos incluyen las baterías (o pilas), los generadores, los tubos de

vacío y los transistores.

1 Tubos de vacío

Un tubo de vacío consiste en una cápsula de vidrio de la que se ha extraído el aire, y

que lleva en su interior varios electrodos metálicos. Un tubo sencillo de dos

elementos (diodo) está formado por un cátodo y un ánodo, este último conectado al

terminal positivo de una fuente de alimentación. El cátodo (un pequeño tubo

metálico que se calienta mediante un filamento) libera electrones que migran hacia

él (un cilindro metálico en torno al cátodo, también llamado placa). Si se aplica una

tensión alterna al ánodo, los electrones sólo fluirán hacia el ánodo durante el

semiciclo positivo; durante el ciclo negativo de la tensión alterna, el ánodo repele los

electrones, impidiendo que cualquier corriente pase a través del tubo. Los diodos

conectados de tal manera que sólo permiten los semiciclos positivos de una corriente

alterna (c.a.) se denominan tubos rectificadores y se emplean en la conversión de

corriente alterna a corriente continua (c.c.) (véase Electricidad). Al insertar una

rejilla, formada por un hilo metálico en espiral, entre el cátodo y el ánodo, y

aplicando una tensión negativa a dicha rejilla, es posible controlar el flujo de

electrones. Si la rejilla es negativa, los repele y sólo una pequeña fracción de los

electrones emitidos por el cátodo puede llegar al ánodo. Este tipo de tubo,

denominado triodo, se puede utilizar como amplificador. Las pequeñas variaciones de

la tensión que se producen en la rejilla, como las generadas por una señal de radio o

de sonido, pueden provocar grandes variaciones en el flujo de electrones desde el

cátodo hacia el ánodo y, en consecuencia, en el sistema de circuitos conectado al

ánodo.

2 Transistores

Los transistores se componen de semiconductores. Se trata de materiales, como el

silicio o el germanio, dopados (es decir, se les han incrustado pequeñas cantidades

de materias extrañas), de manera que se produce un exceso o una carencia de

electrones libres. En el primer caso, se dice que el semiconductor es del tipo n, y en

el segundo, que es del tipo p. Combinando materiales del tipo n y del tipo p se puede

producir un diodo. Cuando éste se conecta a una batería de manera tal que el

material tipo p es positivo y el material tipo n es negativo, los electrones son

repelidos desde el terminal negativo de la batería y pasan, sin ningún obstáculo, a la

región p, que carece de electrones. Con la batería invertida, los electrones que llegan

al material p pueden pasar sólo con muchas dificultades hacia el material n, que ya

está lleno de electrones libres, en cuyo caso la corriente es prácticamente cero.

El transistor bipolar fue inventado en 1948 para sustituir al tubo de vacío triodo. Está

formado por tres capas de material dopado, que forman dos uniones pn (bipolares)

con configuraciones pnp o npn. Una unión está conectada a la batería para permitir

el flujo de corriente (polarización negativa frontal, o polarización directa), y la otra

está conectada a una batería en sentido contrario (polarización inversa). Si se varía la

corriente en la unión de polarización directa mediante la adición de una señal, la

corriente de la unión de polarización inversa del transistor variará en consecuencia.

El principio se puede utilizar para construir amplificadores en los que una pequeña

señal aplicada a la unión de polarización directa provocará un gran cambio en la

corriente de la unión de polarización inversa.

Otro tipo de transistor es el de efecto campo (FET, acrónimo inglés de Field-Effect

Transistor), que funciona sobre la base del principio de repulsión o de atracción de

cargas debido a la superposición de un campo eléctrico. La amplificación de la

corriente se consigue de modo similar al empleado en el control de rejilla de un tubo

de vacío. Los transistores de efecto campo funcionan de forma más eficaz que los

bipolares, ya que es posible controlar una señal grande con una cantidad de energía

muy pequeña.

3 Circuitos integrados

La mayoría de los circuitos integrados son pequeños trozos, o chips, de silicio, de

entre 2 y 4 mm2, sobre los que se fabrican los transistores. La fotolitografía permite

al diseñador crear centenares de miles de transistores en un solo chip situando de

forma adecuada las numerosas regiones tipo n y p. Durante la fabricación, estas

regiones son interconectadas mediante conductores minúsculos, a fin de producir

circuitos especializados complejos. Estos circuitos integrados son llamados

monolíticos por estar fabricados sobre un único cristal de silicio. Los chips requieren

mucho menos espacio y potencia, y su fabricación es más barata que la de un

circuito equivalente compuesto por transistores individuales.

4 Reóstatos

Al conectar una batería a un material conductor, una determinada cantidad de

corriente fluirá a través de dicho material. Esta corriente depende de la tensión de la

batería, de las dimensiones de la muestra y de la conductividad del propio material.

Los reóstatos de resistencia conocida se emplean para controlar la corriente en los

circuitos electrónicos. Se elaboran con mezclas de carbono, láminas metálicas o hilo

de resistencia, y disponen de dos cables de conexión. Los reóstatos variables, con un

brazo de contacto deslizante y ajustable, se suelen utilizar para controlar el volumen

de aparatos de radio y televisión.

5 Condensadores

Los condensadores están formados por dos placas metálicas separadas por un

material aislante. Si se conecta una batería a ambas placas, durante un breve tiempo

fluirá una corriente eléctrica que se acumulará en cada una de ellas. Si se desconecta

la batería, el condensador conserva la carga y la tensión asociada a la misma. Las

tensiones rápidamente cambiantes, como las provocadas por una señal de sonido o

de radio, generan mayores flujos de corriente hacia y desde las placas; entonces, el

condensador actúa como conductor de la corriente alterna. Este efecto se puede

utilizar, por ejemplo, para separar una señal de sonido o de radio de una corriente

continua, a fin de conectar la salida de una fase de amplificación a la entrada de la

siguiente.

6 Inductores

Los inductores consisten en un hilo conductor enrollado en forma de bobina. Al pasar

una corriente a través de la bobina, alrededor de la misma se crea un campo

magnético que tiende a oponerse a los cambios bruscos de la intensidad de la

corriente (véase Inducción). Al igual que un condensador, un inductor se puede usar

para diferenciar entre señales rápida y lentamente cambiantes. Al utilizar un inductor

conjuntamente con un condensador, la tensión del inductor alcanza un valor máximo

a una frecuencia específica que depende de la capacitancia y de la inductancia. Este

principio se emplea en los receptores de radio al seleccionar una frecuencia

específica mediante un condensador variable.

7 Dispositivos de detección y transductores

La medición de magnitudes mecánicas, térmicas, eléctricas y químicas se realiza

empleando dispositivos denominados sensores y transductores. El sensor es sensible

a los cambios de la magnitud a medir, como una temperatura, una posición o una

concentración química. El transductor convierte estas mediciones en señales

eléctricas, que pueden alimentar a instrumentos de lectura, registro o control de las

magnitudes medidas. Los sensores y transductores pueden funcionar en ubicaciones

alejadas del observador, así como en entornos inadecuados o impracticables para los

seres humanos.

Algunos dispositivos actúan de forma simultánea como sensor y transductor. Un

termopar consta de dos uniones de diferentes metales que generan una pequeña

tensión que depende del diferencial térmico entre las uniones (véase

Termoelectricidad). El termistor es un reóstato especial, cuya resistencia varía según

la temperatura. Un reóstato variable puede convertir el movimiento mecánico en

señal eléctrica. Para medir distancias se emplean condensadores de diseño especial,

y para detectar la luz se utilizan fotocélulas (véase Célula fotoeléctrica). Para medir

velocidades, aceleraciones o flujos de líquidos se recurre a otro tipo de dispositivos.

En la mayoría de los casos, la señal eléctrica es débil y debe ser amplificada por un

circuito electrónico.

4 CIRCUITOS DE ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA

La mayoría de los equipos electrónicos requieren tensiones de c.c. para su

funcionamiento. Estas tensiones pueden ser suministradas por baterías o por fuentes

de alimentación internas que convierten la corriente alterna, que se puede obtener

de la red eléctrica que llega a cada vivienda, en tensiones reguladas de c.c. El primer

elemento de una fuente de alimentación de c.c. interna es el transformador, que

eleva o disminuye la tensión de entrada a un nivel adecuado para el funcionamiento

del equipo. La función secundaria del transformador es servir como aislamiento de

masa (conexión a tierra) eléctrica del dispositivo a fin de reducir posibles peligros de

electrocución. A continuación del transformador se sitúa un rectificador, que suele

ser un diodo. En el pasado se utilizaban diodos de vacío y una amplia variedad de

diferentes materiales (cristales de germanio o sulfato de cadmio) en los

rectificadores de baja potencia empleados en los equipos electrónicos. En la

actualidad se emplean casi exclusivamente rectificadores de silicio debido a su bajo

coste y alta fiabilidad.

Las fluctuaciones y ondulaciones superpuestas a la tensión de c.c. rectificada

(percibidas como un zumbido en los amplificadores de sonido defectuosos) pueden

filtrarse mediante un condensador. Cuanto más grande sea el condensador, menor

será el nivel de fluctuación de la tensión. Es posible alcanzar un control más exacto

sobre los niveles y fluctuaciones de tensión mediante un regulador de tensión, que

también consigue que las tensiones internas sean independientes de las

fluctuaciones que se puedan encontrar en un artefacto eléctrico. Un sencillo

regulador de tensión que se utiliza a menudo es el diodo de Zener, formado por un

diodo de unión pn de estado sólido que actúa como aislante hasta una tensión

predeterminada. Por encima de dicha tensión, se convierte en un conductor que

deriva los excesos de tensión. Por lo general, los reguladores de tensión más

sofisticados se construyen como circuitos integrados.

5 CIRCUITOS AMPLIFICADORES

Los amplificadores electrónicos se utilizan sobre todo para aumentar la tensión, la

corriente o la potencia de una señal. Los amplificadores lineales incrementan la señal

sin distorsionarla (o distorsionándola mínimamente), de manera que la salida es

proporcional a la entrada. Los amplificadores no lineales permiten generar un cambio

considerable en la forma de onda de la señal. Los amplificadores lineales se utilizan

para señales de sonido y vídeo, mientras que los no lineales se emplean en

osciladores, dispositivos electrónicos de alimentación, moduladores, mezcladores,

circuitos lógicos y demás aplicaciones en las que se requiere una reducción de la

amplitud. Aunque los tubos de vacío tuvieron gran importancia en los amplificadores,

hoy día se suelen utilizar circuitos de transistores discretos o circuitos integrados.

1 Amplificadores de sonido

Los amplificadores de sonido, de uso común en radios, televisiones y grabadoras de

cintas, suelen funcionar a frecuencias inferiores a los 20 kilohercios (1 kHz = 1.000

ciclos por segundo). Amplifican la señal eléctrica que, a continuación, se convierte en

sonido con un altavoz. Los amplificadores operativos, incorporados en circuitos

integrados y formados por amplificadores lineales multifásicos acoplados a la

corriente continua, son muy populares como amplificadores de sonido.

2 Amplificadores de vídeo

Los amplificadores de vídeo se utilizan principalmente para señales con un rango de

frecuencias de hasta 6 megahercios (1 MHz = 1 millón de ciclos por segundo). La

señal generada por el amplificador se convierte en la información visual que aparece

en la pantalla de televisión, y la amplitud de señal regula el brillo de los puntos que

forman la imagen. Para realizar esta función, un amplificador de vídeo debe funcionar

en una banda ancha y amplificar de igual manera todas las señales, con baja

distorsión. Véase Grabación de vídeo.

3 Amplificadores de radiofrecuencia

Estos amplificadores aumentan el nivel de señal de los sistemas de comunicaciones

de radio o televisión. Por lo general, sus frecuencias van desde 100 kHz hasta 1

gigahercio (1 GHz = 1.000 millones de ciclos por segundo), y pueden llegar incluso al

rango de frecuencias de microondas.

6 OSCILADORES

Los osciladores constan de un amplificador y de algún tipo de retroalimentación: la

señal de salida se reconduce a la entrada del amplificador. Los elementos

determinantes de la frecuencia pueden ser un circuito de inductancia-capacitancia

sintonizado o un cristal vibrador. Los osciladores controlados por cristal ofrecen

mayor precisión y estabilidad. Los osciladores se emplean para producir señales de

sonido y de radio con una amplia variedad de usos. Por ejemplo, los osciladores

sencillos de radiofrecuencia se emplean en los teléfonos modernos de botones para

transmitir datos a la estación telefónica central al marcar un número. Los tonos de

sonido generados por los osciladores también se pueden encontrar en relojes

despertadores, radios, instrumentos electrónicos, computadoras y sistemas de

alarma. Los osciladores de alta frecuencia se emplean en equipos de comunicaciones

para controlar las funciones de sintonización y detección de señales. Las emisoras de

radio y de televisión utilizan osciladores de alta frecuencia y de gran precisión para

generar las frecuencias de transmisión.

7 CIRCUITOS DE CONMUTACIÓN Y TEMPORIZACIÓN

Los circuitos de conmutación y temporización, o circuitos lógicos, forman la base de

cualquier dispositivo en el que se tengan que seleccionar o combinar señales de

manera controlada. Entre los campos de aplicación de estos circuitos se pueden

mencionar la conmutación telefónica, las transmisiones por satélite y el

funcionamiento de las computadoras digitales.

La lógica digital es un proceso racional para adoptar sencillas decisiones de

“verdadero” o “falso” basadas en las reglas del álgebra de Boole. Verdadero puede

estar representado por un 1, y falso por un 0, y en los circuitos lógicos estos

numerales aparecen como señales de dos tensiones diferentes. Los circuitos lógicos

se utilizan para adoptar decisiones específicas de “verdadero-falso” sobre la base de

la presencia de múltiples señales “verdadero-falso” en las entradas. Las señales se

pueden generar por conmutadores mecánicos o por transductores de estado sólido.

La señal de entrada, una vez aceptada y acondicionada (para eliminar las señales

eléctricas indeseadas, o ruidos), es procesada por los circuitos lógicos digitales. Las

diversas familias de dispositivos lógicos digitales, por lo general circuitos integrados,

ejecutan una variedad de funciones lógicas a través de las llamadas puertas lógicas,

como las puertas OR, AND y NOT y combinaciones de las mismas (como NOR, que

incluye a OR y a NOT). Otra familia lógica muy utilizada es la lógica transistor-

transistor. También se emplea la lógica de semiconductor complementario de óxido

metálico, que ejecuta funciones similares a niveles de potencia muy bajos pero a

velocidades de funcionamiento ligeramente inferiores. Existen también muchas otras

variedades de circuitos lógicos, incluyendo la hoy obsoleta lógica reóstato-transistor

y la lógica de acoplamiento por emisor, utilizada para sistemas de muy altas

velocidades.

Los bloques elementales de un dispositivo lógico se denominan puertas lógicas

digitales. Una puerta Y (AND) tiene dos o más entradas y una única salida. La salida

de una puerta Y es verdadera sólo si todas las entradas son verdaderas. Una puerta

O (OR) tiene dos o más entradas y una sola salida. La salida de una puerta O es

verdadera si cualquiera de las entradas es verdadera, y es falsa si todas las entradas

son falsas. Una puerta INVERSORA (INVERTER) tiene una única entrada y una única

salida, y puede convertir una señal verdadera en falsa, efectuando de esta manera la

función negación (NOT). A partir de las puertas elementales se pueden construir

circuitos lógicos más complicados, entre los que cabe mencionar los circuitos

biestables (también llamados flip-flops, que son interruptores binarios), contadores,

comparadores, sumadores, y combinaciones más complejas.

En general, para ejecutar una determinada función es necesario conectar grandes

cantidades de elementos lógicos en circuitos complejos. En algunos casos se utilizan

microprocesadores para efectuar muchas de las funciones de conmutación y

temporización de los elementos lógicos individuales. Los procesadores están

específicamente programados con instrucciones individuales para ejecutar una

determinada tarea o tareas. Una de las ventajas de los microprocesadores es que

permiten realizar diferentes funciones lógicas, dependiendo de las instrucciones de

programación almacenadas. La desventaja de los microprocesadores es que

normalmente funcionan de manera secuencial, lo que podría resultar demasiado

lento para algunas aplicaciones. En tales casos se emplean circuitos lógicos

especialmente diseñados.

8 AVANCES RECIENTES

El desarrollo de los circuitos integrados ha revolucionado los campos de las

comunicaciones, la gestión de la información y la informática. Los circuitos

integrados han permitido reducir el tamaño de los dispositivos con el consiguiente

descenso de los costes de fabricación y de mantenimiento de los sistemas. Al mismo

tiempo, ofrecen mayor velocidad y fiabilidad. Los relojes digitales, las computadoras

portátiles y los juegos electrónicos son sistemas basados en microprocesadores. Otro

avance importante es la digitalización de las señales de sonido, proceso en el cual la

frecuencia y la amplitud de una señal de sonido se codifica digitalmente mediante

técnicas de muestreo adecuadas, es decir, técnicas para medir la amplitud de la

señal a intervalos muy cortos. La música grabada de forma digital, como la de los

discos compactos, se caracteriza por una fidelidad que no era posible alcanzar con

los métodos de grabación directa.

La electrónica médica ha progresado desde la tomografía axial computerizada (TAC)

hasta llegar a sistemas que pueden diferenciar aún más los órganos del cuerpo

humano. Se han desarrollado asimismo dispositivos que permiten ver los vasos

sanguíneos y el sistema respiratorio. También la alta definición promete sustituir a

numerosos procesos fotográficos al eliminar la necesidad de utilizar plata.

La investigación actual dirigida a aumentar la velocidad y capacidad de las

computadoras se centra sobre todo en la mejora de la tecnología de los circuitos

integrados y en el desarrollo de componentes de conmutación aún más rápidos. Se

han construido circuitos integrados a gran escala que contienen varios millones de

componentes en un solo chip. Se han llegado a fabricar computadoras que alcanzan

altísimas velocidades en las cuales los semiconductores son reemplazados por

circuitos superconductores que utilizan las uniones de Josephson (véase Efecto

Josephson) y que funcionan a temperaturas próximas al cero absoluto.


Transformador1 INTRODUCCIÓN

Transformador, dispositivo eléctrico que consta de una bobina de cable situada junto

a una o varias bobinas más, y que se utiliza para unir dos o más circuitos de corriente

alterna (CA) aprovechando el efecto de inducción entre las bobinas (véase

Electricidad). La bobina conectada a la fuente de energía se llama bobina primaria.

Las demás bobinas reciben el nombre de bobinas secundarias. Un transformador

cuyo voltaje secundario sea superior al primario se llama transformador elevador. Si

el voltaje secundario es inferior al primario este dispositivo recibe el nombre de

transformador reductor. El producto de intensidad de corriente por voltaje es

constante en cada juego de bobinas, de forma que en un transformador elevador el

aumento de voltaje de la bobina secundaria viene acompañado por la

correspondiente disminución de corriente.

2 TRANSFORMADORES DE POTENCIA

Son grandes dispositivos usados en los sistemas de generación y transporte de

electricidad y en pequeñas unidades electrónicas (véase Electrónica). Los

transformadores de potencia industriales y domésticos, que operan a la frecuencia de

la red eléctrica, pueden ser monofásicos o trifásicos y están diseñados para trabajar

con voltajes y corrientes elevados. Para que el transporte de energía resulte rentable

es necesario que en la planta productora de electricidad un transformador eleve los

voltajes, reduciendo con ello la intensidad. Las pérdidas ocasionadas por la línea de

alta tensión son proporcionales al cuadrado de la intensidad de corriente por la

resistencia del conductor. Por tanto, para la transmisión de energía eléctrica a larga

distancia se utilizan voltajes elevados con intensidades de corriente reducidas. En el

extremo receptor los transformadores reductores reducen el voltaje, aumentando la

intensidad, y adaptan la corriente a los niveles requeridos por las industrias y las

viviendas, normalmente alrededor de los 240 voltios. Los transformadores de

potencia deben ser muy eficientes y deben disipar la menor cantidad posible de

energía en forma de calor durante el proceso de transformación. Las tasas de

eficacia se encuentran normalmente por encima del 99% y se obtienen utilizando

aleaciones especiales de acero para acoplar los campos magnéticos inducidos entre

las bobinas primaria y secundaria. Una disipación de tan sólo un 0,5% de la potencia

de un gran transformador genera enormes cantidades de calor, lo que hace

necesario el uso de dispositivos de refrigeración. Los transformadores de potencia

convencionales se instalan en contenedores sellados que disponen de un circuito de

refrigeración que contiene aceite u otra sustancia. El aceite circula por el

transformador y disipa el calor mediante radiadores exteriores.

3 ELECTRÓNICA

En el campo de la electrónica se suelen utilizar con más frecuencia transformadores

con capacidades de alrededor de 1 kilovatio antes de los rectificadores, que a su vez

proporcionan corriente continua (CC) al equipo. Estos transformadores electrónicos

de energía se fabrican normalmente con bloques de láminas de aleación de acero,

llamadas laminaciones, alrededor de las cuales se instalan las bobinas de hilo de

cobre. Los transformadores a niveles de entre 1 y 100 vatios se usan principalmente

como transformadores reductores, para acoplar circuitos electrónicos a los altavoces

de equipos de radio, televisión y alta fidelidad (véase Grabación de sonido y

reproducción). Conocidos como transformadores de audio, estos dispositivos utilizan

sólo una pequeña fracción de su potencia nominal para la producción de señales en

las frecuencias audibles, con un nivel de distorsión mínimo. Los transformadores se

valoran según su capacidad de reproducción de frecuencias de ondas audibles (entre

20 Hz y 25 KHz) con distorsiones mínimas a lo largo de todo el espectro de sonido

(véase Frecuencia; Sonido).

A niveles de potencia por debajo de un milivatio, los transformadores se utilizan

sobre todo para acoplar frecuencias extremadamente elevadas (UHF), frecuencias

muy altas (VHF), frecuencias de radio (RF) y frecuencias intermedias (IF), así como

para aumentar su voltaje. Estos transformadores de alta frecuencia operan por lo

general en circuitos sintonizados o resonantes, en los que se utiliza la sintonización

para eliminar ruidos eléctricos no deseados cuyas frecuencias se encuentran fuera

del rango de transmisión deseado.


RectificaciónRectificación, proceso que convierte una corriente eléctrica alterna —que circula

alternativamente en un sentido u otro de un circuito— en una corriente continua, que

sólo fluye en un sentido. Para ello se inserta en el circuito un dispositivo conocido

como rectificador, que sólo permite que pase corriente en un sentido, bloqueando la

corriente en el otro.

La rectificación se lleva a cabo en todos los rangos de potencia eléctrica, desde

milésimas de vatio en la detección de señales de radio de amplitud modulada hasta

miles de kilovatios en el funcionamiento de maquinaria pesada eléctrica. Los

primeros rectificadores comerciales convertían corriente alterna en continua para

alimentar motores eléctricos y se llamaban conmutadores mecánicos. En la

actualidad, la mayor parte de la rectificación se lleva a cabo mediante dispositivos

electrónicos, como combinaciones de diodos, tubo de vacío y rectificadores de arco

de mercurio. (Véase Diodo; Tubo de vacío).

La mayoría de los rectificadores mecánicos están formados por un conmutador

giratorio sincronizado con la corriente, dispuesto de forma que sólo conduzca la

corriente en un sentido. Pueden diseñarse y fabricarse rectificadores mecánicos que

manejan corrientes intensas (hasta miles de amperios) con tensiones de varios miles

de voltios; estos rectificadores todavía se utilizan en la maquinaria eléctrica pesada.

Los rectificadores electrónicos conducen corriente sólo en un sentido mediante el

movimiento de cargas eléctricas dentro del dispositivo. Pueden soportar corrientes

de hasta 500 amperios y tensiones de hasta 1.000 voltios, por lo que pueden

competir con los rectificadores mecánicos en muchas aplicaciones de potencia. En

las aplicaciones de baja tensión, como en los equipos electrónicos, se emplean casi

exclusivamente rectificadores de tubo de vacío o de semiconductores.


Semiconductor1 INTRODUCCIÓN

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.

2 ELECTRONES DE CONDUCCIÓN Y HUECOS

Entre los semiconductores comunes se encuentran elementos químicos y

compuestos, como el silicio, el germanio, el selenio, el arseniuro de galio, el seleniuro

de cinc y el telururo de plomo. El incremento de la conductividad provocado por los

cambios de temperatura, la luz o las impurezas se debe al aumento del número de

electrones conductores que transportan la corriente eléctrica. En un semiconductor

característico o puro como el silicio, los electrones de valencia (o electrones

exteriores) de un átomo están emparejados y son compartidos por otros átomos para

formar un enlace covalente que mantiene al cristal unido. Estos electrones de

valencia no están libres para transportar corriente eléctrica. Para producir electrones

de conducción, se utiliza la luz o la temperatura, que excita los electrones de

valencia y provoca su liberación de los enlaces, de manera que pueden transmitir la

corriente. Las deficiencias o huecos que quedan contribuyen al flujo de la electricidad

(se dice que estos huecos transportan carga positiva). Éste es el origen físico del

incremento de la conductividad eléctrica de los semiconductores a causa de la

temperatura.

3 DOPAR

Otro método para obtener electrones para el transporte de electricidad consiste en

añadir impurezas al semiconductor o doparlo. La diferencia del número de electrones

de valencia entre el material dopante (tanto si acepta como si confiere electrones) y

el material receptor hace que crezca el número de electrones de conducción

negativos (tipo n) o positivos (tipo p). Este concepto se ilustra en el diagrama que se

muestra a continuación, que representa un cristal de silicio dopado. Cada átomo de

silicio tiene cuatro electrones de valencia (representados mediante puntos). Se

requieren dos para formar el enlace covalente. En el silicio tipo n, un átomo como el

del fósforo (P), con cinco electrones de valencia, reemplaza al silicio y proporciona

electrones adicionales. En el silicio tipo p, los átomos de tres electrones de valencia

como el aluminio (Al) provocan una deficiencia de electrones o huecos que se

comportan como electrones positivos. Los electrones o los huecos pueden conducir la

electricidad.

Cuando ciertas capas de semiconductores tipo p y tipo n son adyacentes, forman un

diodo de semiconductor, y la región de contacto se llama unión pn. Un diodo es un

dispositivo de dos terminales que tiene una gran resistencia al paso de la corriente

eléctrica en una dirección y una baja resistencia en la otra. Las propiedades de

conductividad de la unión pn dependen de la dirección del voltaje, que puede a su

vez utilizarse para controlar la naturaleza eléctrica del dispositivo. Algunas series de

estas uniones se usan para hacer transistores y otros dispositivos semiconductores

como células solares, láseres de unión pn y rectificadores. Véase Electrónica; Energía

solar.

Los dispositivos semiconductores tienen muchas aplicaciones en la ingeniería

eléctrica. Los últimos avances de la ingeniería han producido pequeños chips

semiconductores que contienen cientos de miles de transistores. Estos chips han

hecho posible un enorme grado de miniaturización en los dispositivos electrónicos. La

aplicación más eficiente de este tipo de chips es la fabricación de circuitos de

semiconductores de metal-óxido complementario o CMOS, que están formados por

parejas de transistores de canal p y n controladas por un solo circuito. Además, se

están fabricando dispositivos extremadamente pequeños utilizando la técnica

epitaxial de haz molecular.

Véase Ordenador o computadora; Circuito integrado; Microprocesador.


Medidores eléctricos1 INTRODUCCIÓN

Medidores eléctricos, instrumentos que miden magnitudes eléctricas, como

intensidad de corriente, carga, potencial, energía, resistencia eléctrica, capacidad e

inductancia. El resultado de estas medidas se expresa normalmente en una unidad

eléctrica estándar: amperios, culombios, voltios, julios, ohmios, faradios o henrios

(véase Unidades eléctricas). Dado que todas las formas de la materia presentan una

o más características eléctricas es posible tomar mediciones eléctricas de un elevado

número de fuentes.

2 MECANISMOS BÁSICOS DE LOS MEDIDORES

Las magnitudes eléctricas no se pueden medir por observación directa y por ello se

utiliza alguna propiedad de la electricidad para producir una fuerza física susceptible

de ser detectada y medida. Por ejemplo, en el galvanómetro, uno de los primeros

instrumentos de medida que se inventó, la fuerza que se produce entre un campo

magnético y una bobina por la que circula una corriente eléctrica produce una

desviación de la bobina. Dado que la desviación es proporcional a la intensidad de la

corriente se utiliza una escala calibrada para medir la intensidad de la corriente

eléctrica. La acción electromagnética entre corrientes, la fuerza entre cargas

eléctricas y el calentamiento provocado por una resistencia conductora son algunas

de las propiedades de la electricidad utilizadas para obtener mediciones analógicas.

3 CALIBRACIÓN DE LOS MEDIDORES

Para garantizar la uniformidad y la precisión de las medidas de los medidores

eléctricos se calibran de acuerdo con los patrones de medida aceptados para una

determinada unidad eléctrica, como el ohmio, el amperio, el voltio o el vatio.

4 PATRONES PRINCIPALES Y MEDIDAS ABSOLUTAS

Los patrones principales del ohmio y el amperio se basan en definiciones de estas

unidades aceptadas a nivel internacional y basadas en la masa, la longitud del

conductor y el tiempo. Las técnicas de medición que utilizan estas unidades básicas

son precisas y reproducibles. Por ejemplo, las medidas absolutas de amperios

implican la utilización de una especie de balanza que mide la fuerza que se produce

entre un conjunto de bobinas fijas y una bobina móvil. Estas mediciones absolutas de

intensidad de corriente y diferencia de potencial tienen su aplicación principal en el

laboratorio, mientras que en la mayoría de los casos se utilizan medidas relativas.

Todos los medidores que se describen en los párrafos siguientes permiten hacer

lecturas relativas.

5 MEDIDORES DE CORRIENTE

1 Galvanómetros

Los galvanómetros son los instrumentos principales para detectar el paso de una

corriente eléctrica y para medir su intensidad. El mecanismo del galvanómetro está

diseñado de forma que un imán permanente o un electroimán produce un campo

magnético que genera una fuerza en una bobina cercana al imán cuando por ésta

circula una corriente eléctrica. El elemento móvil puede ser el imán o la bobina. La

fuerza inclina el elemento móvil en un grado proporcional a la intensidad de la

corriente.

En los galvanómetros de imán móvil se aprovecha el par de fuerzas que ejerce la

corriente estudiada sobre un pequeño imán móvil. En los galvanómetros de cuadro

móvil se utiliza la acción de un imán fijo sobre una bobina móvil recorrida por una

corriente desconocida.

Un ejemplo de galvanómetro de cuadro móvil es el galvanómetro de inclinación de D

´Arsonval. En este galvanómetro la corriente que se trata de medir circula por una

bobina formada por varias espiras de alambre muy fino, que puede girar en el campo

de un imán por estar suspendida de un alambre muy delgado. Cuando una corriente

eléctrica circula por esta bobina experimenta la acción de un par de fuerzas

proporcional a la corriente. Este par hace girar la bobina hasta que se equilibra por el

par recuperador proporcionado por el alambre al retorcerse. El ángulo de giro se

mide por la desviación experimentada por un haz luminoso que incide sobre un

pequeño espejo unido a la bobina móvil y que es reflejado hacia un dial.

Los galvanómetros tienen denominaciones distintas según la magnitud de la

corriente que pueden medir.

2 Amperímetros

Para que un galvanómetro funcione como amperímetro hay que tener en cuenta que

por el fino hilo de la bobina de un galvanómetro sólo puede circular una intensidad

de corriente pequeña. Si hay que medir intensidades mayores, se acopla una

derivación de baja resistencia, denominada shunt, a los terminales del medidor. La

mayor parte de la corriente pasa por la resistencia de la derivación, pero la pequeña

cantidad que fluye por el medidor sigue siendo proporcional a la intensidad total. Al

utilizar esta proporcionalidad, el galvanómetro se puede emplear para medir

intensidades de varios cientos de amperios.

Un microamperímetro está calibrado en millonésimas de amperio y un

miliamperímetro en milésimas de amperio.

3Galvanómetros de corriente alterna: electrodinamómetros y galvanómetros de resonancia

Los galvanómetros convencionales no se pueden emplear para medir corrientes

alternas porque las oscilaciones de la corriente producirían una inclinación en las dos

direcciones.

Una variante del galvanómetro, el electrodinamómetro, se puede utilizar para medir

corrientes alternas mediante una inclinación electromagnética. Este medidor

contiene una bobina fija situada en serie con una bobina móvil, que se utiliza en lugar

del imán permanente del galvanómetro. Dado que la corriente de la bobina fija y la

móvil se invierte en el mismo momento, la inclinación de la bobina móvil tiene lugar

siempre en el mismo sentido, produciéndose una medición constante de la

intensidad. El electrodinamómetro también sirve para medir corrientes continuas.

El galvanómetro de resonancia es un galvanómetro de cuadro móvil que se utiliza

para detectar y medir corrientes alternas muy débiles. Las características del aparato

se eligen de manera que el cuadro móvil tenga un periodo de oscilación igual al de la

corriente estudiada para que el galvanómetro entre en resonancia con la corriente.

4 Medidores de termopar

Para medir corrientes alternas de alta frecuencia se utilizan medidores que dependen

del efecto calorífico de la corriente. En los medidores de termopar se hace pasar la

corriente por un hilo fino que calienta la unión del termopar. La electricidad generada

por el termopar se mide con un galvanómetro convencional. En los medidores de hilo

incandescente la corriente pasa por un hilo fino que se calienta y se estira. El hilo

está unido a un puntero móvil que se desplaza por una escala calibrada en amperios.

Véase Termoelectricidad.

6 MEDICIÓN DEL VOLTAJE

El instrumento más utilizado para medir la diferencia de potencial (voltaje) es un

galvanómetro que cuenta con una gran resistencia unida en serie a la bobina.

Cuando se conecta un medidor de este tipo a una batería o a dos puntos de un

circuito eléctrico entre los que existe una diferencia de potencial, circula una

cantidad reducida de corriente (limitada por la resistencia en serie) a través del

medidor. La corriente es proporcional al voltaje, que se puede medir si el

galvanómetro se calibra para ello. Cuando se usa el tipo adecuado de resistencias en

serie, un galvanómetro sirve para medir niveles muy distintos de voltajes. El

instrumento más preciso para medir una fuerza electromotriz es el potenciómetro,

que mide esta magnitud al compararla con una fuerza electromotriz variable y de

valor conocido, opuesta a la que se quiere medir.

Para medir voltajes de corriente alterna se utilizan medidores de alterna con alta

resistencia interior, o medidores similares con una fuerte resistencia en serie.

Los demás métodos de medición del voltaje utilizan tubos de vacío y circuitos

electrónicos y resultan muy útiles para hacer mediciones a altas frecuencias. Un

dispositivo de este tipo es el voltímetro de tubo de vacío. En la forma más simple de

este tipo de voltímetro se rectifica una corriente alterna en un tubo de diodo y se

mide la corriente rectificada con un galvanómetro convencional. Otros voltímetros de

este tipo utilizan las características amplificadoras de los tubos de vacío para medir

voltajes muy bajos. El osciloscopio de rayos catódicos se emplea también para hacer

mediciones de voltaje, ya que la inclinación del haz de electrones es proporcional al

voltaje aplicado a las placas o electrodos del tubo.

7 OTROS TIPOS DE MEDICIONES

1 Puente de Wheatstone

Las mediciones más precisas de la resistencia se obtienen con un circuito llamado

puente de Wheatstone, en honor al físico británico Charles Wheatstone. Este circuito

consiste en tres resistencias conocidas y una resistencia desconocida, conectadas

entre sí en forma de diamante. Se aplica una corriente continua a través de dos

puntos opuestos del diamante y se conecta un galvanómetro como detector de cero

a los otros dos puntos. Cuando todas las resistencias se nivelan, las corrientes que

circulan por los dos brazos del circuito se igualan, lo que elimina el paso de corriente

por el galvanómetro. Variando el valor de una de las resistencias conocidas, el

puente se puede ajustar a cualquier valor de la resistencia desconocida, que se

calcula a partir de los valores de las otras resistencias. Se emplean puentes de este

tipo para medir la inductancia y la capacitancia de los componentes de un circuito.

Para ello se sustituyen las resistencias por inductancias y capacitancias conocidas.

Estos puentes se suelen denominar puentes de corriente alterna porque se utilizan

fuentes de corriente alterna en lugar de corriente continua. A menudo los puentes se

nivelan con un timbre en vez de un galvanómetro, que cuando el puente no está

nivelado emite un sonido que corresponde a la frecuencia de la fuente de corriente

alterna; cuando se ha nivelado no se escucha ningún tono.

2 Vatímetros

La potencia consumida por cualquiera de las partes de un circuito se mide con un

vatímetro, un instrumento parecido al electrodinamómetro. El vatímetro tiene su

bobina fija dispuesta de forma que la atraviese toda la intensidad del circuito,

mientras que la bobina móvil se conecta en serie con una resistencia grande y sólo

deja pasar una parte proporcional del voltaje de la fuente. La inclinación resultante

de la bobina móvil depende tanto de la intensidad como del voltaje y se puede

calibrar directamente en vatios, ya que la potencia es el producto del voltaje y la

intensidad de la corriente.

3 Contadores de servicio

El contador de servicio es un dispositivo que mide la energía total consumida en un

circuito eléctrico doméstico. Es parecido al vatímetro, pero se diferencia de éste en

que la bobina móvil se reemplaza por un rotor. El rotor, controlado por un regulador

magnético, gira a una velocidad proporcional a la cantidad de potencia consumida. El

eje del rotor está conectado con engranajes a un conjunto de indicadores que

registran el consumo total en vatios por hora.


Principios de Electronica y Electricidad

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