II.- VOLTAJE - CORRIENTE Y RESISTENCIA

2.1.- ESTRUCTURA ATÓMICA Y CARGA ELÉTRICA

Toda materia está formada por partículas llamadas átomos. Un átomo a su vez está compuesto por pequeños elementos:

Protón: Tiene carga eléctrica positiva, se encuentra localizado en el núcleo.

Neutrón: No tiene carga eléctrica. Se sitúa en el núcleo junto con los protones.

Electrón: Posee carga eléctrica negativa y se encuentra en la corteza.

2.2.- CARGA ELÉTRICA

La carga eléctrica constituye una propiedad fundamental de la materia. Las partículas positivas y negativas de la materia son portadoras de carga eléctrica. Las partículas con carga positiva son protones y las de carga negativa son electrones. También existen partículas neutras llamadas neutrones.

A los electrones se les asignó carga negativa, también expresada como – e, y a los protones se les asignó carga positiva expresada como + e.

La unidad de la carga es el coulomb y su símbolo es C.

La unidad más elemental de carga es la que tiene el electrón, es decir alrededor de 1.6 x 10-19 coulomb (culombios) y es conocida como carga elemental.

El valor de la carga eléctrica de un cuerpo, representada como q o Q, se mide según el número de electrones que posea en exceso o en ausencia.

1C = 6.25 x 10^18 electrones (-e).La carga de cada protón, + e, es igual a + 1.6x10^-19 coulomb.La carga de cada electrón, - e, es igual a - 1.6x10^-19 coulomb.

Estas tienes dos cualidades fundamentales:

1

Cargas iguales se repelen. Cargas distintas se atraen.

Aspectos importantes a considerar en los átomos:

1.- Todo átomo está formado por un núcleo con carga positiva rodeado por electrones con carga negativa.

2.- Los electrones de todos los átomos son idénticos. Cada uno tiene la misma cantidad de carga eléctrica y la misma masa.

3.- Los protones y neutrones forman el núcleo. (con excepción del Hidrógeno que no tiene neutrón).

Los protones tienen unas 1.800 veces más masa que los electrones.

La cantidad de carga positiva que tienen es igual a la carga negativa de los electrones.

Los neutrones tienen una masa un poco mayor que la de los protones, y no tienen carga neta.

4.- En general, los átomos tienen igual cantidad de electrones que de protones, por lo que el átomo tiene una carga neta igual a cero.

2

2.3.- VOLTAJE, CORRIENTE Y RESISTENCIA

VOLTAJE

F12=_-_q 1 x q 2 x ř 12__ (N)

4πεoxr^2

Todas las cargas

- Se debe aplicar cierta cantidad de energía, en forma de trabajo, para vencer dicha fuerza y separar las cargas a determinada distancia.

- Todas las cargas opuestas poseen cierta energía potencial a causa de la separación que existe entre ellas.

- La diferencia en la energía potencial por carga es la diferencia de potencial o voltaje.

El Voltaje, simbolizado mediante V, se define como energía o trabajo por unidad de carga. La unidad de medida del voltaje es el volt.

V=W/Q

Donde:

V= voltaje en volts (V)W= energía en Joules (J)Q= carga en coulombs (C)

Un volt es la diferencia de potencial (voltaje) entre dos puntos cuando se utiliza un joule de energía para mover un coulomb de carga de un punto a otro.

El potencial eléctrico (voltaje) y la unidad de voltaje, el volt, fue nombrados en honor al científico Alessandro Volta (1745-1827).

Problema:

¿ Cuánta energía se utiliza para mover 50 C de un punto a otro cuando el voltaje entre los dos puntos es de 12 V?.

3

+q1

-q2

r12

ř12

Fe12

V=W/Q W= V*Q

W = 12*50 [J] = 600 [J]

CORRIENTE

El voltaje proporciona energía a los electrones, lo que les permite moverse por un circuito.

- Sin voltaje los electrones libres se mueven al azar en todas direcciones, de un átomo a otro, dentro de la estructura del material (conductor y semiconductor):

- Si se establece un voltaje, un extremo del material se vuelve positivo y el otro negativo.

- La fuerza repulsiva producida por el voltaje negativo en el extremo izquierdo hace que los electrones libres (cargas negativas) se muevan hacia la derecha.

- La fuerza de atracción producida por el voltaje positivo en el extremo derecho tira los electrones hacia la derecha.

- El resultado es un movimiento neto de los electrones libres desde el extremo negativo del material hasta el extremo positivo, como se indica en la sgte figura:

La Corriente eléctrica es la velocidad que lleva el flujo de la carga. Se simboliza mediante la letra I.

En un material conductor, el número de electrones (cantidad de carga) que fluyen más allá de cierto punto en una unidad de tiempo determinan la corriente:

I = Q/t

Donde:I= corriente en amperes (A)Q= carga en coulombs (C)t= tiempo en segundos (s)

4

_

_

_

_

_

_

_

-

-

- +

+

+

Voltaje

Un ampere (1 A) es la cantidad de corriente que existe cuando cierto número de electrones, cuya carga total es de un coulomb (1 C), pasa por un área de sección transversal dada en un segundo (1 s).

Ejemplo:

Diez coulombs de carga fluyen más allá de cierto punto en un alambre en 2 s. ¿cuál es la corriente en amperes?.

I=Q/t = 10C/2s= 5 [A].

RESISTENCIA

- Cuando en un material existe corriente, los e libres se mueven y chocan con los átomos.

- Estas colisiones provocan que los electrones pierdan algo de su energía, con lo cual se restringe su movimiento.

- Entre más colisiones haya, más se restringe el flujo de electrones.

- Esta restricción varía y está determinada por el tipo de material.

- La propiedad de un material de restringir u oponerse al flujo de electrones se llama resistencia, R.

La resistencia es la oposición a la corriente.

R se expresa en ohms, simbolizada por omega Ω.

Existe un ohm (1 Ω) de resistencia si hay un ampere (1A) de corriente en un material cuando se aplica un volt (1 V) al material.

Símbolo:

5

2.4.- FUENTES DE VOLTAJE Y DE CORRIENTE

Una fuente de voltaje proporciona energía eléctrica o fuerza electromotriz (fem), conocida como voltaje.

Fuente de Voltaje Ideal: proporciona un voltaje constante para cualquier corriente requerida por un circuito.

SÍMBOLOS

Fuente de voltaje de CA Fuente de voltaje de CD

6

~~

2.5.- RESISTORES

Resistor: componente diseñado específicamente para que tenga cierta cantidad de resistencia.

Aplicación: es limitar la corriente en un circuito, dividir el voltaje y generar calor.

Categorías: Resistores fijos y Resistores Variables.

Resistores fijos

Los valores de resistencia se establecen durante su proceso de fabricación, no son fáciles de cambiar. Se construyen utilizando diversos métodos y materiales.

Ejemplos:

1.- Resistores de composición de carbón: Fig.1. Resistores fijos típicos.

Detalle interno de un resistor de carbón típico:

Fig.2. Detalle construcción de resistores fijos.

7

El resistor tipo “chip”, ver figura 2(b), se encuentra en la categoría de componentes de tecnología de montaje superficial (SMT, por sus siglas en inglés), tiene la ventaja de un tamaño muy pequeño para ensambles compactos.

Otros tipos de resistores fijos incluyen película de carbón, película metálica y bobinado de alambre.En los resistores de película, se deposita uniformemente una película resistiva (película de carbón) o de cromo níquel (película metálica). También están disponibles en forma de resistores, ver figura 3.

Fig.3. Resistores de película.

Los resistores bobinados de alambre se construyen con un alambre resistivo bobinado alrededor de una varilla aislante y luego se sellan.Se utilizan, normalmente, en aplicaciones que requieren valores de potencia más altos, adicionalmente tienen una inductancia significativa y no se utilizan a frecuencias altas, ver figura 4.

Fig.4. Resistores de potencia.

CÓDIGO DE COLORES PARA RESISTORES

8

Código de Colores de Cuatro Bandas

La siguiente figura muestra las bandas de código de color en un resistor de 4 bandas:

Resistencias Menores que 10 [ ]

En estos casos, la tercera banda es de color ORO o PLATA.ORO: representa un multiplicador de 0.1.PLATA: representa un multiplicador de 0.01.

Ejemplos:

9

1er. dígito

2o. dígitoMultiplicador(N° de ceros después del 2o. Dígito).

Porcentaje de Tolerancia

Código de Colores para resistores de 4 bandas.

DÍGITO

0 Negro

1 Café

2 Rojo

3 Naranja

4 Amarillo

5 Verde

6 Azul

7 Violeta

8 Gris

9 Blanco

Cuarta banda: Tolerancia. ± 5% Oro

± 10% Plata

COLOR

Valor de la resistencia, primeros 3 dígitos.

1.- Para una resistencia con bandas de colores: Roja-Violeta-Naranja-Plata, encuentre su valor en ohms:

Roja =2Violeta = 7Naranja = 3Plata = ± 10%

R = 27.000 [] ± 10% = 27 K[] ± 10%

2.- Para una resistencia con bandas de colores: Roja -Violeta-Oro-Plata, encuentre su valor en ohms:

Roja =2Violeta = 7Oro = x0.1 {multiplicador}Plata = ± 10%

R = 2.7 [] ± 10% 3.- Para una resistencia con bandas de colores: Café-Negro-Café-Plata, encuentre su valor en ohms:

Café = 1Negro = 0Café = 1Plata = ± 10%

R = 100 [] ± 10%

10

Código de Colores de Cinco Bandas

La siguiente figura muestra las bandas de código de color en un resistor de 5 bandas:

Ciertos resistores de precisión con tolerancias del 2%, 1% o menos se codifican, en general, mediante cinco bandas de colores.

11

1er. dígito

2o. dígitoMultiplicador(N° de ceros después del 3er. Dígito)

Porcentaje de Tolerancia

3er. dígito

Código de Colores para resistores de 5 bandas.

DÍGITO

0 Negro

1 Café

2 Rojo

3 Naranja

4 Amarillo

5 Verde

6 Azul

7 Violeta

8 Gris

9 Blanco

Cuarta banda: Multiplicador. 0.1 Oro

0.01 Plata

± 2% Rojo

Quinta banda: Tolerancia. ± 1% Café

± 0.5% Verde

± 0.25% Azul

± 0.1% Violeta

COLOR

Valor de la resistencia, primeras 3 bandas.

Ejemplos:

1.- Para una resistencia con bandas de colores: Roja-Violeta-Negra-Oro-Roja, encuentre su valor en ohms:

Roja = 2Violeta = 7Negro = 0Oro = 0.1 {multiplicador}Roja = ± 2%

R = 270x0.1 [] ± 2% = 27 [] ± 2%

2.- Para una resistencia con bandas de colores: Naranja- Naranja- Roja- Naranja-Verde, encuentre su valor en ohms:

Naranja = 3Naranja = 3Roja =2Naranja = 3Verde = ± 0.5%

R = 332x1000 [] ± 0.5% = 332 K[] ± 0.5%

Banda de confiabilidad en resistores :

Una banda extra indica la confiabilidad de los resistores en un porcentaje de fallas por cada 1000 horas (1000 h) de uso.

Por ejemplo: una quinta banda café en un resistor de 4 bandas de color significa que si un grupo de resistores similares se pone a operar en condiciones estándar durante 1000 h, el 1% de los resistores de dicho grupo fallará.

12

Código de Colores de confiabilidad

Café

Rojo

Naranja

Amarillo

0.1%

0.01%

0.001%

FALLAS DURANTE 1000 h DE OPERACIÓN

COLOR

1%

CÓDIGO DE ROTULADO PARA RESISTORES

Existe una variedad de resistores que utilizan marcado tipográfico para indicar su valor de resistencia y su tolerancia, incluidos los de montaje superficial.

Estos códigos de rotulado se componen de puros números (numéricos) o de una combinación de números y letras (alfanuméricos).

Rotulación Numérica

Utiliza 3 dígitos para indicar el valor de la resistencia. Los primeros 2 dígitos proporcionan los primeros 2 dígitos del valor de la

resistencia. El tercer dígito corresponde a un multiplicador o cantidad de ceros que van después

de los primeros dos dígitos. Este código está limitado a valores de 10 ohms o más grandes.

12.000 [] = 12 K[]

13

1231er. dígito

2o. dígitoMultiplicador (número de ceros)

Rotulación Alfanumérica

Rotulación de 3 ó 4 caracteres que utiliza tanto dígitos como letras. Se compone de sólo 3 dígitos ó de 2 ó 3 dígitos y una de las letras R, K o M. La letra se utiliza para indicar el multiplicador.

o R = x 1.o K = x 1000 (tres ceros después e los dígitos).o M = x 1.000.000.

La posición de la letra señala el lugar del punto decimal.

22R = 22 [] ; 2M2 =2.2 M[]

220K = 220 K[]

Tolerancias: se utilizan las letras F, G y J:

F = ± 1%G = ± 2%J = ± 5%

Ejemplos:

1.- 620F = 620 [] ± 1%

2.- 4R6G = 4.6 [] ± 2%

Resistores variables

14

22R1er. dígito

2o. dígitoPunto decimal y Multiplicador

2M21er. dígito

2o. dígitoPunto decimal y Multiplicador

220K1er. dígito

2o. dígitoPunto decimal y Multiplicador

3er. dígito

T

(a) Termistor

T

(a) Termistor

(b) Celda Fotoconductora(b) Celda Fotoconductora

Los resistores variables están diseñados de modo que sus valores de resistencia sean fáciles de cambiar mediante un ajuste manual o automático.

Dos usos básicos son:

Potenciómetro: resistor variable utilizado para dividir el voltaje. Es un dispositivo de tres terminales, como se aprecia en la sgte figura parte (a), Los terminales 1 y 2 tienen resistencia fija entre ellas, que es la resistencia total. La terminal 3 está conectada a un contacto móvil (rozador). Se puede variar la resistencia entre 3 y1 o entre 3 y2 subiendo o bajando el contacto.

Reóstato: resistor variable utilizado para controlar la corriente.

Resistores automáticamente variables:

Termistor: es un tipo de resistor variable sensible a la temperatura. Ver símbolo.

Celda Fotoconductora: su resistencia cambia con un cambio de la intensidad luminosa. Ver símbolo.

15