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Se presenta un resumen de los temas más importantes en el inicio de la materia de Diseño de Circuitos Eléctricos, en la Secundaria Técnica.
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1
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.