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Electrónica: Magnitudes, leyes y aplicaciones.

UNIDAD 1 Fundamentos Eléctricos

UNIDAD 1 – Fundamentos eléctricos

Copyright SENA ©, 2012. 2

Tabla de contenidos

• Presentación

• Naturaleza de la electricidad. o El átomo. o La estática. o Generación de la electricidad.

• Magnitudes eléctricas.

o El vatio. o El amperio. o El ohmio. o El vatio.

• Repaso de la unidad. • Referencias. • Cibergrafía. • Créditos.



Presentación

Esta semana se trabajarán los temas “Principios de Electricidad” y “Magnitudes Eléctricas”, por medio de la cual se pretende que usted se familiarice con las diferentes formas de producir corriente eléctrica, además, se le ofrece un recuento histórico de las primeras manifestaciones de electricidad que el hombre identificó en su contacto con el mundo exterior. Así entonces, al finalizar esta unidad usted estará en capacidad de reconocer las diferentes formas de producir corriente eléctrica.

Resultados de aprendizaje

• Identificar los fenómenos eléctricos y electromagnéticos, reconociendo las magnitudes, unidades y ecuaciones.

Conocimientos de concepto y principios

• Estructura de átomo. • Electrón. • Flujo de electrones. • Amperio. • Carga eléctrica. • Campo eléctrico. • Corriente eléctrica. • Corriente directa. • Corriente alterna.



Conocimientos de proceso

• Diferenciar las características o propiedades de la corriente eléctrica, de acuerdo con los conceptos básicos de electricidad.

Criterio de evaluación

• Identifica los fenómenos eléctricos y electromagnéticos, reconociendo las magnitudes, unidades y ecuaciones.

Tiempo estimado de estudio: 4 horas



Naturaleza de la Electricidad

Los antiguos griegos comprobaron que el ámbar (Elektrón) frotado con lana atraía cuerpos ligeros; en la actualidad lo anterior se justifica afirmando que el ámbar está electrizado, que posee carga eléctrica o bien que está cargado. En las experiencias actuales se utiliza la ebonita, la cual al frotarla con piel atrae durante un corto tiempo a cuerpos pequeños, para soltarse después debido a que ha sido electrizado el cuerpo atraído con cargas del mismo signo que la ebonita, y comienza la repulsión. La historia de la electricidad es sorprendente. Los invitamos a que mire el siguiente documental hecho para History Channel, en la cual el profesor Jim Al-Khalili cuenta la historia electrizante de la búsqueda de la fuerza más misteriosa de la naturaleza, la electricidad. Hasta hace muy poco, la electricidad fue vista como un poder mágico, pero ahora es el alma del mundo moderno y es la base todos los aspectos de los avances tecnológicos que hace parte de cualquier entorno. Sin electricidad, la vida actual seria complicada. Así entonces, esta serie habla de saltos deslumbrantes de los experimentos, de la imaginación y extraordinaria historia de genios inconformistas que utilizan la electricidad para iluminarlas las ciudades, para comunicarse a través de los mares y el aire, para crear la industria moderna que brinda la revolución digital. El video puede encontrarse bajo la pestaña videos sugeridos del menú de la izquierda, bajo el nombre historia de la electricidad. Sin lugar a duda la electricidad ha traído grandes beneficios a la humanidad, pero así como muchos de nosotros hemos disfrutado de sus bondades, también muchos han sufrido por su poder devastador. Como indica Fowler (1994): “La electricidad es una forma de energía. Cuando se le controla adecuadamente, puede hacer mucho del trabajo necesario para que nuestra sociedad vaya hacia adelante. Sin embargo la energía eléctrica sin control, tal como un rayo, puede ser muy destructiva”.



La Estática

Si ahora se frota una barra de vidrio con seda y se pone en contacto con bolitas de médula de saúco, se notará que ocurre el mismo fenómeno que con la ebonita, es decir, serán atraídas por el vidrio y al cabo de un corto tiempo serán repelidas por éste y entre sí. Si a continuación se acerca una bolita que ha estado en contacto con ebonita electrizada, a otra bolita que ha estado en contacto con vidrio electrizado, se podrá apreciar que ambas bolitas se atraen. Esto nos lleva a la conclusión, que hay dos clases de carga eléctrica, la que tiene la ebonita frotada con piel o carga negativa y la que tiene el vidrio frotado con lana o carga positiva. Las cargas eléctricas no son engendradas ni creadas en los cuerpos, son adquiridas o transmitidas. Cuando se pierden electrones se adquiere carga positiva, y cuando se ganan electrones se tiene carga negativa. El electrón está en la materia, mucho más allá de las células, en los confines de la composición esencial de las cosas o elementos químicos que nos forman; en cada cosa que tocamos y vemos; sólo que está potencialmente estática o quieta y gracias a los avances tecnológicos se ha logrado hacer uso de ella, para el beneplácito y desarrollo evolutivo tecnológico del hombre. Se ha descubierto que en algunos lugares de la naturaleza, la corriente eléctrica se encuentra en grandes cantidades y si se canaliza adecuadamente, se puede servir eficazmente de ella. Uno de los fenómenos corrientes que todos hemos observado es la electricidad estática: “Probablemente el caso más impresionante de la electricidad estática es el rayo. La electricidad estática es la responsable de la sacudida que recibimos al



alcanzar el tirador metálico de una puerta después de frotarlo con un paño grueso” (Fowler, 1994, p. 8) Para profundizar más acerca se sugiere ver el video: Universo Mecánico: Electricidad Estática, el cual puede encontrar bajo la pestaña videos sugeridos del menú de la izquierda, bajo el nombre historia de la electricidad. Electricidad Estática en la Práctica: Al frotar o cepillar con fuerza 2 objetos, uno se carga negativamente en tanto que el otro objeto pierde sus electrones se carga positivamente. Así se crea un campo eléctrico alrededor de cada objeto. Las nubes se “frotan” unas con otras y también se “frotan” con el viento que las rodea. Esto hace que se carguen eléctricamente. Al moverse tanto, las nubes pasan por vientos fríos y otras veces por vientos calientes. Los cambios de temperatura calor-frío contribuyen a la carga eléctrica. También se produce carga en el mismo momento en que se forma la nube. El proceso de evaporación y condensación de las minúsculas gotas de humedad que van chocando unas con otras y así las gotas se traspasan cargas eléctricas hasta que algunas las van acumulando. La parte baja de la nube se carga negativamente y la alta de forma positiva. (Ejemplos tomados de http://www.educando.edu.do/sitios/archivos/rayos.swf) El átomo La materia y sus estados: Es todo aquello que se involucra en todo entorno y que estimula los sentidos de diferente manera. Está hecha de un sinnúmero de sustancias que ocupan un espacio o lugar y cada una tiene sus características y propiedades físicas y químicas, por ejemplo: El agua: Se presenta en estado líquido, (Fluido). El hierro: Se presenta en estado sólido, (Contextura dura). El oxígeno: Se presenta en nuestro medio en un estado gaseoso, (Gas volátil)



La materia, también se puede encontrar en un estado puro o en estado compuesto. Se sabe que está en estado puro, cuando se subdivide en partículas muy pequeñas y se encuentra que todas ellas son homogéneas y únicas, a éstas se le denominan: átomos. El compuesto, como su nombre lo indica, es materia de varios elementos puros y juntos, es decir, dividiéndolos en su mínima expresión, se encuentra que su partícula mínima es heterogénea o hecha de diferentes átomos.

A la mínima expresión física de la materia compuesta, se le llama: Molécula, por ejemplo: El agua, tiene tres elementos, dos de Hidrógeno y uno de Oxígeno; su fórmula ya conocida por todos es: H2O, o en otras palabras, el agua está compuesta por tres

Gráfica 1: Molécula de agua.



átomos, dos de Hidrógeno (elemento puro), y uno de Oxígeno (otro elemento puro). El átomo es la unidad de materia más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades.

La órbita más cercana al núcleo, tiene dos electrones y son fuertemente atraídos por el núcleo, cuya carga es positiva. La segunda órbita tiene seis electrones girando alrededor del núcleo. En este nivel, la atracción que el núcleo ejerce sobre los electrones es menor que la ejercida sobre los electrones de la primera órbita. Esa fuerte o ligera atracción es la que define la dureza física de un material o elemento de la naturaleza. La disposición de los electrones y cantidad de órbitas tienen su orden lógico y característico según el elemento natural. Para una mejor comprensión y dominio de este tema, se podrá consultar en la bibliografía: Química de Raymond Chang (2002) & Química General de Ralph Petrucci, los cuales se pueden encontrar referenciados en el material adicional.

Gráfica 1.1: Átomo



La materia prima del átomo

¿Cómo utilizar la energía contenida en el átomo? El átomo posee una valiosa carga eléctrica negativa llamada, electrón, que es la que se utilizará de ahora en adelante como materia prima de la electrónica, y que se mueve a una velocidad de 300.000 kilómetros por segundo; el otro asunto es, ¿cómo obtener, canalizar y dirigir estas cargas para realizar un trabajo objetivo? La respuesta se encontrará a través de este interesante curso de auto formación que se ha planteado con la finalidad de incrementar los conocimientos sobre la temática tratada.

Niveles de energía

En electrónica, una órbita es un nivel de energía. Los electrones que estén situados en órbitas cerca al núcleo tienen poco nivel de energía; por el contrario, cuando el electrón está en una órbita lejana al núcleo del átomo este electrón posee un nivel alto de energía.

¿Cómo obtener energía de un átomo? Bastará con hacer pasar los electrones de las órbitas interiores a las órbitas más exteriores. Para tal cometido, el átomo deberá someterse a cierto tipo de procesos de las siguientes características:

a. Presión o vibración física. d. Fricción o roce.

b. Reacción química. e. luz.

c. Calor. f. Influencia magnética



Fuentes de Electricidad

Como ya se ha indicado, el fenómeno de la electricidad es creado por el desplazamiento de los electrones de sus posiciones naturales dentro de los átomos.

Entre las personas que trabajan con la electricidad, el dispositivo o máquina que causa este movimiento o desplazamiento de los electrones, comúnmente es llamado la fuente de fuerza electromotriz (F .E. M.). Todos los abastecedores de electricidad son en realidad convertidores de energía, en los cuales, cualquiera de las formas más comunes de energía como calor, luz, o energía mecánica son transformadas en energía eléctrica.

Generación de la Electricidad: Convertidores de Energía Mecánica a Eléctrica

Generación de Electricidad por Fricción: Este tipo de electricidad es la que habitualmente podemos encontrar cuando frotamos un peine con nuestro cabello y luego los acercamos a unos trozos de papel para que estos se vean atraídos debido a la carga que se generó en el peine.

Debido a su baja eficiencia este tipo de convertidor no es muy utilizado en la industria.

La electricidad se produce frecuentemente como resultado indeseable de la fricción entre dos objetos en movimiento. Es así como las nubes se cargan al moverse a través de la atmósfera y al chocar producen el rayo, cuyo poder destructivo es un claro ejemplo de la cantidad de energía que pueden transportar los cuerpos cargados eléctricamente.



Generación de electricidad por magnetismo

Cuando se mueve un imán hacia arriba y hacia abajo por entre una bobina de alambre de cobre, se produce un flujo de electrones en el trayecto formado por la bobina y el medidor, (Amperímetro).

Gráfica 1.2: Electricidad por fricción.

Gráfica 1.3: Electricidad por magnetismo.



Este método de producción de electricidad es el más utilizado en la actualidad.

La electricidad que nos venden las empresas productoras de energía y que llega a nuestros hogares, es producida por este método.

Se usa el mismo principio en los generadores eléctricos de los automóviles.

Generación de electricidad por presión

Un material de tipo especial, el cristal piezoeléctrico, convierte la energía mecánica en eléctrica al ser presionado. Cuando un cristal piezoeléctrico se conecta a una lámpara de neón y es golpeado con un mazo, la lámpara emite un breve rayo de luz.

Muchos tocadiscos usan un pequeño cristal piezoeléctrico cerco de la aguja, lo cual al pasar sobre la grabación del disco tuerce el cristal y genera pequeños valores de fuerza electromotriz. Estos valores son imágenes de los sonidos grabados en el disco. Con la amplificación necesaria estas señales pueden hacer funcionar un parlante como los que usted conoce los cristales piezoeléctricos tienen muchas aplicaciones en la industria. Registran niveles de ruido, detectan cambios de presión, etc.



Convertidores de Energía Química a Eléctrica

Los dispositivos que producen una fuerza electromotriz por una acción química son las pilas voltaicas o simplemente pilas y las baterías o acumuladores.

Su funcionamiento se basa en la reacción química entre dos sustancias diferentes.

Si introducimos dos placas metálicas o electrodos tales como cobre y zinc en una solución de ácido sulfúrico y agua, podemos comprobar la existencia de una fuerza electromotriz entre las dos placas.

Gráfica 1.4: Pilas



Convertidores de Energía Radiante a Eléctrica

Energía radiante es el nombre que se da a la energía proporcionada por fuentes de calor o de luz, como el sol.

Hay dos convertidores de energía radiante a energía eléctrica en uso actualmente y son:

El termopar y la celda fotovoltaica.

Gráfica 1.5: Placas metálicas.



El termopar

Cuando se calienta la unión de dos metales diferentes, por ejemplo níquel y latón, la energía del calor lleva los electrones libres de un metal a otro, produciendo entre los dos una fuerza electromotriz.

La celda fotovoltaica

Convierte la energía lumínica o de la luz en electricidad. Se le conoce también como celda fotoeléctrica.

Un tipo de celda fotovoltaica consiste en una estructura con tres materiales diferentes.

Gráfica 1.6: Termopar



Una primera capa delgada y traslúcida de oro o plata deja pasar la luz que es recibida por la capa sensible de selenio, creándose de esta forma una fuerza electromotriz entre las dos capas exteriores.

Tipos de Corriente Eléctrica

Los electrones al desplazarse y producir un flujo o corriente no se mueven siempre en la misma dirección y por esta razón se conocen popularmente dos tipos de corriente: corriente directa y corriente alterna.

Gráfica 1.7: Celda fotovoltaica.



Corriente alterna

Cuando el flujo de electrones varía periódicamente de dirección, se dice que la corriente eléctrica es una corriente alterna.

La polaridad de un generador de corriente alterna está cambiando constantemente, así que a ninguna terminal, de la fuente que la produce, se le puede asignar el nombre de positivo o negativo.

Una de las características más importantes de la corriente alterna es la frecuencia. La frecuencia representa el número de veces que la corriente cambia de dirección en un segundo. La frecuencia se da en ciclos por segundo (C / seg.) O Hertz (Hz) la corriente alterna se nombra con las siguientes abreviaturas: A.C, C.A.

La fuente de corriente alterna más utilizada es el generador de corriente alterna o alternador.

Gráfica 1.8: Corriente alterna



Corriente directa

Cuando el flujo de electrones se da siempre en una misma dirección, se dice que la corriente eléctrica es una corriente directa.

El término corriente continua (C.C.) algunas veces se utiliza para expresar corriente directa. A la corriente directa se le asignan las siguientes abreviaturas: C.D. D.C. C.C.

De las fuentes de corriente directa más utilizadas, tenemos las siguientes:

Generadores de corriente directa o dinamos baterías o acumuladores pilas voltaicas o pilas secas.

Magnitudes Eléctricas

Se denominan Magnitudes físicas, a las propiedades de los cuerpos que pueden medirse y para determinar esto es necesario compararlas con algunas otras de la misma especie que se toma como patrón o unidad de medida.

El resultado de una medida se expresa mediante una cantidad numérica seguida de la unidad utilizada y los nombres para la unidad tienen que cumplir una serie de

Gráfica 1.9: Corriente directa



normas incluyendo también un símbolo que destaque y diferencie una unidad de otra para que se ubique dentro de un lenguaje universal.

En electrónica, se tiene una gran variedad de unidades de medida, destinadas para cada uno de los fenómenos que comprometen a la misma; estas unidades tienen su propio nombre y símbolo, casi siempre en honor a su descubridor.

Dentro de las unidades eléctricas más relevantes, y de las cuales se destaca su magnitud se encuentran:

El Voltio: Diferencia de Potencial

La diferencia de potencial se puede definir como la diferencia que hay entre el número de electrones y el número de protones de un cuerpo, por lo tanto si se tiene un número mayor de electrones se considera que la diferencia de potencial es negativa, en caso contrario sería positiva y en caso de igualdad simplemente la diferencia es cero.



Comúnmente ésta diferencia de potencial, se llama TENSIÓN, VOLTAJE O FUERZA ELECTROMOTRIZ.

La tensión se representa con las letra U, E, V, F.E.M

De ésta manera se sabe que toda magnitud tiene una unidad de medida, la unidad de medida de la diferencia de potencial es el VOLTIO.

El Amperio: La Intensidad de Corriente Eléctrica

A los electrones que se encuentran en las órbitas más alejadas del núcleo se les conocen también como electrones libres. Estos electrones son los responsables de la mayoría de los fenómenos eléctricos y electrónicos ya que al estar débilmente atraídos por los protones del núcleo, pueden moverse fácilmente de un átomo a otro.

Los electrones libres al desplazarse, constituyen la corriente eléctrica a través de un conductor que puede ser sólido, líquido o gaseoso.

Un conductor es un elemento que transporta electrones de un cuerpo a otro.

La corriente eléctrica consiste en un movimiento de electrones a través de un conductor.

Y entonces ¿Cómo se produce este flujo de electrones?

Los electrones libres tienen su propio movimiento dentro de sus respectivos átomos; pero es preciso transportar ese movimiento a corriente, a lo largo del conductor.

Para lograrlo se tiene que utilizar algún dispositivo que se encargue de hacer saltar un electrón de un átomo a otro; ese electrón desaloja a otro de un átomo vecino y éste a su vez otro y así sucesivamente.



El dispositivo que causa ese movimiento de electrones, se denomina fuente de energía, y podría ser una pila como las que se utilizan para el funcionamiento de radios portátiles, lámparas de mano (linternas), etc.

¿Qué se requiere para mantener la corriente eléctrica?

Para mantener la corriente eléctrica es necesario:

Una fuerza electromotriz (F.E.M), que saque los electrones libres de sus orbitas y reponga los que van saliendo.

Un conductor eléctrico. Su función es de servir de camino a los electrones de un terminal de la fuente de energía, a través de la carga o receptor donde la corriente va a realizar su trabajo hasta el otro terminal de la fuente.

Cuando en un conductor hay movimiento de electrones existe corriente eléctrica.

Ahora bien, si son dos cuerpos que tienen una diferencia de potencial y están unidos a través de un conductor, van a existir muchos átomos con electrones libres que generaran un flujo de los mismos de terminal a terminal; esa cantidad de electrones se denomina intensidad de corriente.

La unidad de medida de la intensidad de corriente es el amperio.

El Ohmio: La Resistencia Eléctrica

Es el obstáculo o dificultad que un material opone al paso de la corriente eléctrica. Es en otras palabras, la resistencia; el grado de oposición o impedimento de un material a la corriente eléctrica que lo recorre.

Todos los conductores eléctricos ofrecen mayor o menor resistencia al paso de la corriente eléctrica.

La unidad básica de medida de la resistencia es el ohmio, el cual se representa por la letra griega (omega)



Múltiplos y Submúltiplos del Ohmio

Cuando se están midiendo longitudes, tomando como unidad de medidas el metro, a veces se tiene que expresar en múltiplos y submúltiplos de esa unidad. Por ejemplo si se habla de kilómetros para trayectos muy largos o de centímetros para longitudes pequeñas.

Así también, cuando se está midiendo la resistencia, se puede encontrar valores tan grandes que se tienen que expresar mediante múltiplos del Ohmio, o tan pequeñas que se deben utilizar sus submúltiplos.

Para la conversión de unidades de resistencia, se debe basar en la siguiente tabla:

Ejemplo: Convertir 1.000 a K

Como K es el múltiplo inmediatamente superior a , se debe dividir esta cantidad por 1.000

1.000 = 1K

1.000

Es decir, decir 1000 equivale a 1K



El Vatio: Potencia Eléctrica

La corriente eléctrica produce un trabajo, que consiste en trasladar una cierta carga de electrones, a lo largo de un conductor. Este trabajo supone la existencia de una potencia, que dependerá del tiempo en que dure desplazándose la carga.

La unidad de carga eléctrica es el culombio, y la de unidad de tiempo ( t ), es el segundo.

O sea, 1 culombio * segundo = 1 Amperio.

Para entender el concepto de potencia eléctrica se comparará con un circuito hidráulico, el cual suministra una potencia (llamada potencia hidráulica). En este caso, la potencia de la corriente de agua es directamente proporcional al desnivel y a la cantidad de agua que pasa por el tubo, en la unidad de tiempo (t).

El desnivel se asemeja a la tensión V. La corriente de agua que pasa por el tubo en un segundo es semejante a la corriente I.

Por lo tanto, la potencia eléctrica es directamente proporcional a V y a I.

Potencia = Tensión * Intensidad

P = V x I

La potencia eléctrica se mide en vatios, en homenaje a James Watt, quien realizó los trabajos que llevaron al establecimiento de los conceptos de potencia, y dictó la llamada LEY DE WATT.



Repaso de la unidad



Referencias

Chang, R. (2002). Química. Séptima edición Bogotá: Mc Graw Hill.

Escobar, E. & Acosta, J.E. (1999). Electrónica para Audio y Video. Documento para electrónica desescolarizada. Cartillas FAD. Publicaciones SENA.

Fowler, R. (1994). Electricidad, Principios y Aplicaciones. Barcelona: Editorial.Reverté. S.A.

Petrucci, Ralph, Handbook, W &Herrick, F. (2003).Química General, Madrid Pearson Edication.

Cibergrafía

• Electricidad Estática en la Práctica (S.f). En Educando. Recuperado de http://www.educando.edu.do/sitios/archivos/rayos.swf

• La historia de la Electricidad – La Chispa- Cap. 1. (2012). En History Channel. Recuperado de: http://www.dailymotion.com/video/xnujo0_la-historia-de-la-electricidad-la-chispa-cap-1_tech

• Universo Mecánico: Electricidad Estática (2010). En You Tube. Recuperado de

http://www.youtube.com/watch?v=gxSWy8muUzs

http://www.educando.edu.do/sitios/archivos/rayos.swf

http://www.dailymotion.com/video/xnujo0_la-historia-de-la-electricidad-la-chispa-cap-1_tech

http://www.dailymotion.com/video/xnujo0_la-historia-de-la-electricidad-la-chispa-cap-1_tech

http://www.youtube.com/watch?v=gxSWy8muUzs



Créditos

Experto Temático:

Wilmar Urrutia Martínez

Asesor Pedagógico:

Mónica Patricia Osorio Martínez

Guionista:

Oscar Iván Pineda Céspedes

Equipo de Diseño:

Leonardo Stiglich Campos

Gabriel David Suárez Vargas

Jhonny Ronald Narváez Olarte

Equipo de Programación:

Diego Rodríguez Ortegón

Julián Mauricio Millán Bonilla

Líder de Proyecto:

Jairo Antonio Castro Casas

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