Apoyo para la materia de Diseño de Circuitos Eléctricos

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Definiciones y conceptos para la materia

de Diseño de Circuitos Eléctricos

Elaborado por: Prof. Gilberto Portada Nolasco

TÉCNICA

Es un conjunto de saberes prácticos o procedimientos para

obtener un resultado deseado, como fabricar bienes o

proveer servicios. Una técnica puede ser aplicada en

cualquier ámbito humano: ciencias, arte, educación, etc.

ELECTRICIDAD

La electricidad es un conjunto de fenómenos físicos

referentes a los efectos producidos por las cargas

eléctricas (luminosos, mecánicos, caloríficos,

químicos, etc.) tanto en reposo como en

movimiento. La electricidad también se define como

una forma de energía.

Toda materia está formada por piezas

fundamentales llamadas átomos, y que los átomos a

su vez están formados por diferentes clases de

partículas elementales. Las tres partículas más

importantes son el electrón, el protón y el

neutrón. El electrón tiene una carga negativa, el

protón tiene una carga igual en magnitud, pero

positiva, y el neutrón no tiene carga. De esas

partículas, los protones y neutrones, siempre están

en el centro del átomo, donde forman un pequeño

núcleo interior denso y pesado. Los electrones son

excesivamente pequeñas y muy ligeras, siempre

están girando alrededor del núcleo formando una

nube de electrones.

El estudio de la electricidad consiste en aprender

las técnicas para generar, transmitir, controlar y

transformar esta poderosa fuerza natural.

CARGA ELÉCTRICA

Es una propiedad eléctrica de las partículas atómicas de las

que se compone la materia, medida en Coulombs [C], esto es:

1 𝑐𝑜𝑢𝑙𝑜𝑚𝑏 = 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 (𝐶)

1𝐶 = 6.24 × 1018𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠

Un experimento que realizaron los griegos hace más

de 2000 años, consistía en frotar ámbar (una resina

petrificada) con pieles, después de haberse frotado, él ámbar

atraía pequeños pedazos de materia, como paja. Alrededor

del año 1600 dC, el cirujano inglés William Gilbert intentó

por primera vez encontrar la verdadera naturaleza de la

fuerza misteriosa de atracción del ámbar frotando. Gilbert

encontró en su investigación que muchas otras sustancias

también podían cargarse con esas fuerzas de atracción al

frotarlas con pieles o seda. Él dijo que la materia cargada

con esa fuerza invisible de atracción estaba electrizada.

Gilbert formó esta palabra basándose en el nombre griego

del ámbar (elektron), que fue la primera sustancia

electrizada. El siguiente paso lógico fue llamar electricidad a

esta fuerza que no tenía nombre.

La carga debido a una falta de electrones es llamada

carga positiva. La carga debido a un exceso de carga de

electrones es llamada carga negativa.

2 La presencia de la fuerza invisible que ejercen los

cuerpos cargados sobre cada uno de los otros puede verse al

acercar dos cuerpos cargados. Los objetos con cargas

diferentes se atraen, mientras que los cuerpos con cargas

iguales se rechazan. Si los dos cuerpos son eléctricamente

neutros, o sea, no están cargados, entonces no hay fuerzas

eléctricas entre ellos. De esto surgió una ley básica de la

electricidad llamada Ley de cargas:

LEY DE COULOMB

La fuerza de atracción, o repulsión entre dos cargas

electrostáticas (en reposo) es proporcional a la intensidad

de la carga presente en cada una de ellas, dividida por el

cuadrado de la distancia que los separa.

F es la fuerza, kc es la constante de coulomb, q1 y q2 son cargas

puntuales, r es la distancia que separa a las cargas.

Una carga puntual es una carga eléctrica hipotética, de

magnitud finita, contenida en un punto geométrico carente de

toda dimensión.

BANDA DE CONDUCCIÓN

Los electrones giran alrededor del núcleo en diferentes

órbitas (cuyo nombre correcto es niveles energéticos). En

cada nivel, los electrones se alejan más del núcleo y la fuerza

de atracción disminuye. Así, en el último nivel energético, la

atracción del núcleo sobre los electrones es más débil.

A este último nivel energético se le conoce como

banda de conducción y los electrones que se encuentran en

ella reciben el nombre de electrones libres, porque pueden

saltar de dicha banda y desplazarse de un átomo a otro

dentro del cuerpo que los contiene.

El movimiento de electrones libres es lo que crea la

corriente eléctrica.

CORRIENTE ELÉCTRICA

Flujo de electrones en un conductor. Específicamente, es la

velocidad de cambio de carga, medida en amperes o

amperios [A]:

1𝑎𝑚𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜 = 1𝑐𝑜𝑢𝑙𝑜𝑚𝑏

𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜, o bien: 1𝐴 = 1

𝐶

𝑠

A la corriente eléctrica se le suele llamar intensidad

de corriente eléctrica [I]

Dos formas de representar la misma corriente son:

3 CIRCUITO ELÉCTRICO

Es una interconexión de dispositivos eléctricos simples en la

cual hay por lo menos una trayectoria cerrada a través de la

cual puede fluir una corriente.

Ejemplo de circuito eléctrico:

CORRIENTE DIRECTA

En la corriente directa, o también conocida como corriente

continua, las cargas fluyen en una sola dirección; el valor de

la corriente puede ser constante (por ejemplo, una pila) o

puede variar en el tiempo (por ejemplo, una descarga

eléctrica). Se suele abreviar con cd o cc.

CORRIENTE ALTERNA

En la corriente alterna, las cargas primero fluyen en un

sentido y un instante después fluyen en el sentido opuesto,

dentro de un circuito eléctrico cerrado (por ejemplo, un

generador eléctrico). En otras palabras la corriente alterna

(se abrevia como ca) es un tipo de corriente cuya polaridad

es variable en el tiempo, puede ser de forma periódica o no.

Como el voltaje es proporcional a la corriente,

entonces también podemos hablar de que existen voltajes

directos y voltajes alternos.

CONDUCTORES ELÉCTRICOS

Son materiales en los que los electrones libres se mueven

con bastante libertad. Por ejemplo: el cobre, el aluminio, la

plata, el oro, entre otros.

AISLANTES ELÉCTRICOS

Son materiales en los que los electrones libres no se mueven

con tanta libertad. Por ejemplo: el vidrio, la madera, la goma,

el plástico, entre otros.

SEMICONDUCTORES

Un semiconductor puede tener las características de un

conductor o de un aislador, dependiendo de la temperatura

y la fuerza electromotriz aplicada.

FUERZA

Efecto que tiende a cambiar el movimiento de un objeto. Se

mide en newtons [N].

TRABAJO

Actividad que involucra la aplicación de una fuerza sobre un

objeto, cuyo movimiento cambia en la dirección de la fuerza.

Su unidad de medición es el joule, [J].

ENERGÍA

Es la capacidad para realizar un trabajo. Se mide en joules

[J].

4 VOLTAJE

También se le conoce como tensión eléctrica, diferencia de

potencial eléctrico y fuerza electromotriz (fem). Es la

capacidad para mover cargas desde un punto A y

acumularlas en otro punto B. Se simboliza por una letra V o

también por la letra E.

Es la energía (o trabajo) requerida para mover una

carga unitaria a través de un elemento, su unidad de medida

es el volt o voltio, [V]. En otras palabras, se requiere un

voltio para mover un coulomb (6.28 trillones de electrones)

a través del circuito.

1𝑉 = 1𝑗𝑜𝑢𝑙𝑒

𝑐𝑜𝑢𝑙𝑜𝑚𝑏

En un diagrama, la fuente de voltaje se pude representar de

diversas formas, los símbolos más conocidos son:

POTENCIA ELÉCTRICA

La potencia es la rapidez con la cual se gasta la energía, se

representa por P.

Matemáticamente la potencia es igual a la corriente

multiplicada por el voltaje.

𝑃 = 𝐼 × 𝑉

Su unidad de medida es el watt [W].

Una forma de recordar la fórmulas es mediante el

triángulo de memoria, pero de la Ley de Watt:

Ejemplo práctico: Una plancha demanda 4

amperes de un contacto de alimentación de 127 volts,

calcular la potencia consumida.

RESISTENCIA ELÉCTRICA

Es la capacidad que presentan los materiales para oponerse

al movimiento de las cargas eléctricas. La unidad para la

resistencia es el ohm [Ω]. En un diagrama, se puede

representar de las siguientes formas:

CIRCUITOS EN SERIE

Las terminales de los dispositivos se conectan

secuencialmente: la terminal de salida de un dispositivo se

conecta a la entrada del siguiente, de tal manera que existe

solo un camino por el que fluye la corriente.

5 CIRCUITOS EN PARALELO

Las terminales de entrada de todos los dispositivos

conectados al circuito coinciden entre sí, lo mismo que sus

terminales de salida; es decir, las terminales están

conectadas una al lado de otra, por lo que existe más de un

camino por donde fluye la corriente.

LEY DE OHM

En el año de 1827 el profesor alemán de física Georg S. Ohm

publicó una ecuación sencilla que explica la exacta relación

entre voltaje, corriente y resistencia. Esta ecuación se

conoce como la Ley de Ohm.

La Ley de Ohm puede expresarse con la siguiente

proposición: la Corriente que fluye en un circuito es

directamente proporcional al Voltaje aplicado e

inversamente proporcional a la Resistencia existente en

el mismo.

La Ley de Ohm se expresa con su fórmula general y

dos variantes:

𝐼 =𝐸

𝑅 𝑅 =

𝐸

𝐼

𝐸 = 𝐼𝑅

La Corriente (I) se obtiene dividiendo la Tensión (E) entre la Resistencia (R) y da como resultado amperios.

La Resistencia (R) se calcula dividiendo la Tensión E entre la Corriente (I) y da como resultado ohmios (Ω)

La Tensión (E) se obtiene multiplicando la Corriente (I) por la Resistencia (R) y da como resultado voltios (V)

Ejemplo práctico: ¿Cuál será la corriente que

circula a través del circuito de la figura, si el voltaje es de 6

volts y la resistencia de 2 ohms?

Para tener siempre presente:

La Corriente (I) se mide en amperios (A)

La Tensión (E) se mide en voltios (V)

La Resistencia (R) se mide en ohmios (Ω)

6 ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

En 1819 un profesor danés de Física, Hans Christian

Oersted, descubrió que la corriente a través de un conductor

ejerce una fuerza magnética sobre los objetos de hierro

cercanos.

La fuerza magnética alrededor de un conductor en

el cual está fluyendo una corriente es causada por los

electrones que fluyen.

La fuerza magnética producida por los electrones

viajeros (corriente eléctrica) se llama electromagnetismo.