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Electricidad


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Indice
Temas Página

Efectos de la electricidad 3

Diferencia de Potencial / Voltaje 4

Estructura Atómica 5

Movimiento de Electrones 6

Conductores y Electrones Libres 8

Flujo de Iones y Electrones 9

Corriente / Resistencia 10

Generación de Electricidad 11

Carga Eléctrica / Condensador 12

Elemento Galvánico 14

Magnetismo 15

Magnetismo y Electricidad 16

Corriente Alterna / Corriente Directa 18

Electro Magnetismo y Transformadores 19

Fuerza Electromotriz 21

Motor Eléctrico 22

Actuadores 23

Modulación de Pulsos 24

Sensores 25

Señal Digital / Análoga 26

Conexiones en Serie / Paralelo / Combinada 27

Diagrama Eléctrico 28

Medición de Voltaje, Resistencia, Corriente 31

Ley de Ohm / Ley de Kirchhoff 32

Potencia y Trabajo Eléctrico 33

Reparación del Arnés del Cableado 34

Efectos de la Electricidad



Todos nosotros tenemos a diario experiencias con los efectos de la electricidad, por ejemplo, cuando encendemos la luz al entrar en un cuarto oscuro. Junto con la producción de luz la electricidad puede producir diferentes efectos. Pueden ser efectos químicos, térmicos, generación de campos magnéticos, ejerce influencia sobre los organismos vivos, etc. Si la corriente fluye, por ejemplo, a través de un cuerpo humano, esto puede causar daño severo y hasta conducir a la muerte. El impacto real depende del voltaje, la corriente y el tiempo en que el cuerpo este expuesto a la electricidad. Todos nosotros conocemos muy bien los efectos de la electricidad, pero, ¿qué es la electricidad?. Antes que todo es la diferencia en el potencial eléctrico entre dos puntos.

Diferencia de Potencial / Voltaje


Si entre dos puntos (polos) existe una diferencia en la carga eléctrica, los electrones se mueven desde un polo al otro hasta que la carga está nuevamente igualada. La diferencia en la carga eléctrica (potencial) se llama voltaje. El voltaje o diferencia en potencial, solo puede existir al menos entre dos polos. El polo con falta de electrones se llama el polo “+” (positivo), y el polo con exceso de electrones se llama el polo “-” (negativo). A mayor diferencia de carga eléctrica mayor flujo de electrones. Pero, por supuesto los electrones solo pueden fluir si ambos polos con diferente potencial están conectados mediante un cable. Si no existe una conexión entre los polos con diferente carga, la diferencia de carga se mantendrá, de manera que los electrones no podrán fluir de un polo al otro. El voltaje puede compararse con la diferencia de nivel del agua entre dos depósitos, si estos no están conectados (abiertos), permanecerán con diferencia en el nivel del agua. Tan pronto como haya una conexión entre ellos, por ejemplo con un conducto abierto, el agua fluirá de un depósito al otro hasta que los niveles se igualen. El agua fluye con más fuerza si la diferencia entre los niveles aumenta. Al igual que en el circuito con agua, el flujo de electrones aumenta si se incrementa el voltaje.


Estructura Atómica

Cualquier sustancia esta compuesta de átomos: si pudiéramos dividir una sustancia en partículas cada vez más diminutas, entonces llegaremos a un punto en que no es posible dividirla más sin cambiar la sustancia en si. Las partículas más diminutas de una sustancia se llaman moléculas. Como se muestra en la figura, si nosotros continuamos dividiendo las moléculas aún más, entonces llegaremos a los átomos. Hay diferentes átomos disponibles; se conocen más de cien tipos individuales de átomos. La materia puede estar compuesta por una combinación de diferentes átomos, en este caso, como ya hemos mencionado, la partícula mas pequeña se llama molécula. Esta puede estar constituida de un solo tipo de átomo, entonces se llama elemento. Pero hasta el átomo puede dividirse en diferentes partes. Para entender la naturaleza de la electricidad es necesario entender la estructura de un átomo. Este esta formado por un núcleo (protones y neutrones) y electrones. Los protones están cargados positivamente, mientras que los electrones están cargados negativamente. Como su nombre lo indica, los neutrones son neutros en términos de carga eléctrica. De acuerdo con el modelo del átomo de Bohr, los protones y neutrones están concentrados en el núcleo y los electrones en orbitas alrededor del núcleo. Esto puede compararse con el sistema planetario, donde los planetas orbitan alrededor del sol.

Movimiento de Electrones

La cantidad de protones, neutrones y electrones depende de cada átomo en particular, pero los principios son los mismos para todos. Veamos un átomo de oxigeno: este esta compuesto por 8 neutrones, 8 protones y 8 electrones. Por cada protón existe un electrón, mientras que el número de neutrones puede diferir del número de protones, dependiendo del tipo de átomo. Existen fuerzas entre protones y electrones. Los protones y electrones se atraen unos con otros, mientras que las partículas con la misma carga eléctrica se repelen. A pesar del hecho que los protones y los electrones se atraen unos a otros los electrones no “caen” en el núcleo debido a su movimiento alrededor de este. Esto nuevamente puede compararse con los planetas: ellos no “caen” al sol debido a la fuerza centrífuga que los mantiene en sus orbitas. De manera similar a los planetas, los electrones no viajan alrededor del núcleo usando la misma orbita, si no que en orbitas diferentes para cada uno. Las diferentes orbitas de un átomo se distinguen por letras desde la K a la Q, donde la K es la orbita más interior y la Q es la mas externa. El nivel de energía depende de la orbita. La orbita K tiene un nivel de energía menor, mientras que la Q tiene el mayor valor. Como un átomo tiene la misma cantidad de electrones y protones, este es neutro con respecto a su carga eléctrica. Dependiendo del átomo es más o menos difícil remover o agregar un electrón en él y naturalmente esto se hace más fácil en la orbita más externa. Un átomo al que se le ha removido un electrón se carga positivamente y si se agrega un electrón llega a estar negativamente cargado. Estos átomos se llaman iones negativos o positivos. Es posible añadir o remover más de un electrón; en este caso podemos decir que esta doble o múltiplemente, negativamente o positivamente cargado.

Movimiento de Electrones

Junto con los electrones que están fijos al núcleo y sus propias orbitas, hay algunos electrones existentes que pueden abandonar su orbita y moverse libremente entre los átomos sin una trayectoria fija. La cantidad de electrones libres de un material depende del material en si mismo, por ejemplo, en los metales existe una cantidad relativamente alta de electrones libres mientras que en los materiales de goma existe una cantidad pequeña. Esto se debe a la estructura atómica de cada material. La estructura de un metal por ejemplo, es aquella donde existen una gran cantidad de electrones libres.

Conductores y Electrones Libres


Una sustancia con muchos electrones libres es un conductor y una sustancia con unos pocos electrones libres es un aislante. Pero aún en el caso de un conductor, donde existe una gran cantidad de electrones libres, no hay electricidad sin una fuerza externa, de modo que los electrones se mueven sin una dirección especifica y el conductor es eléctricamente neutro. Si se aplica una fuerza externa los electrones comienzan a moverse en una dirección específica debido a que se produce una diferencia de potencial. La sustancia con una pequeña cantidad de electrones libres pone una alta resistencia al flujo de electrones; estos materiales se llaman no conductores o también llamados aislantes.

Flujo de Iones y Electrones


Las cargas eléctricas pueden viajar aun a través del vació. A diferencia del flujo de electrones dentro de una sustancia sólida, el transporte de electricidad dentro de líquidos o gases no se hace mediante el movimiento de electrones, si no por el movimiento de iones.

Corriente / Resistencia

Otra analogía con el agua es el hecho que la cantidad de flujo del líquido no solo depende de la diferencia de nivel, si no también de la medida del conducto de conexión así como el largo de este. En el caso de la electricidad esto equivale a un mayor flujo de electrones si el conductor tiene un mayor diámetro. Si el conductor entre el polo positivo y negativo es mas corto, mayor cantidad de electrones pueden fluir entre los polos. La cantidad de electrones que se mueven se llama corriente y la restricción al flujo de electrones se llama resistencia. La resistencia no sólo depende de la medida del conductor sino que también del material y la temperatura.

Generación de Electricidad


Ahora que conocemos la naturaleza y la transferencia de la electricidad, veamos como se puede crear una diferencia eléctrica (diferencia de potencial). Existen varias formas: mediante el uso de magnetismo, reacción química, calor, luz, presión o fricción. Por supuesto que no todos los métodos pueden usarse con cualquier material o conductor para crear electricidad. Por ejemplo, para crear una diferencia de potencial con presión, se necesita un piezo elemento. Para producir electricidad con una reacción química, se necesita un elemento galvánico.

Carga Eléctrica / Condensador



Como ya hemos aprendido, la corriente puede fluir sólo si los polos negativos y positivos están unidos por un conector. Como una excepción, la corriente (continua) puede fluir también por un cierto tiempo si se instala un condensador en el circuito. En principio un condensador esta compuesto por dos placas individuales que están aisladas una de la otra por un aislante. Si no se suministra voltaje al condensador (condición descargada), las placas están eléctricamente neutras y en cada placa esta disponible la misma cantidad de electrones. Si se aplica voltaje al condensador (una placa esta conectada al polo positivo, la otra al polo negativo), el polo positivo también extrae electrones desde la placa en la que esta conectado. Por otro lado el polo negativo también suministra la misma cantidad de electrones a la placa a la que esta conectado. Este proceso continua hasta que el voltaje en el condensador es el mismo que el de la fuente. En esta condición no hay corriente fluyendo (para Corriente Continua), el efecto del condensador cargado es similar al de un aislador. Si ahora se desconecta el voltaje de la fuente y el condensador se conecta a un resistor (consumo), la carga entre las placas debe igualarse, por lo que fluye tanta corriente como sea la diferencia de carga. Un condensador es un dispositivo de almacenamiento de electricidad, su capacidad se llama capacitancia. El diseño de diferentes condensadores puede diferir uno de otro, pero el principio de operación es el mismo. Un tipo común es el condensador de papel, donde dos hojas delgadas de estaño están separadas por una cinta de papel. El papel de estaño y las hojas están enrolladas juntas e instalados dentro de un contenedor. Otros tipos son el condensador de tipo electrolítico o el condensador de cerámica, pero recuerde que la función general es siempre la misma. Es importante saber que en el caso de los condensadores electrolíticos debe observarse la polaridad correcta, de otra manera el condensador podría destruirse.
El condensador permite separar las cargas eléctricas. Un condensador esta compuesto por un conductor conectado al polo positivo, otro conductor conectado al polo negativo y un aislador que los separa. Si se suministra corriente a los conductores, ellos acumularan una carga eléctrica en sus superficies. La cantidad de carga depende del tamaño de los conductores, el material y la distancia de separación del material (llamado dieléctrico). Ya que la separación de cargas hace posible que fluya la corriente, un condensador es un componente electrónico pasivo que almacena energía en la forma de un campo electrostático. En su forma mas simple, un condensador esta compuesto por dos placas conductoras separadas por un material aislante llamado el dieléctrico. La capacitancia es directamente proporcional al área de la superficie de las placas e inversamente proporcional a la separación de las placas. La capacitancia también depende de la constante dieléctrica del material que separa las placas. La unidad normal de capacitancia es el faradio: F

Microfaradio: µF (1 µF = 10-6 F) 
nanofaradio: nF (1 nF = 10-9 F) 
picofaradio: pF (1 pF = 10-12 F)

Elemento Galvánico


La conducción de electricidad se produce entre dos conductores si ellos se unen a través de un contacto metálico. La magnitud del potencial depende de la posición de los elementos involucrados en la serie potencial de electrodos. Note que este flujo de corriente es en un material en movimiento por el cual se remueve material de un elemento y se transfiere al otro. También fluirá la corriente entre dos conductores de diferente material si ellos están sumergidos en un elemento denominado electrolito. Los electrolitos son sustancias cuya solución o mezcla conducen la corriente (sales, ácidos, bases). La conducción electrolítica involucra descomposición de los electrodos. Esta descomposición se llama electrólisis y los electrodos son llamados ánodos (polo positivo) y cátodos (polo negativo). Cuando se disuelve el electrolito, este es disuelto en varios iones, los que se mueven libremente. Cuando se aplica voltaje, los iones positivos emigran hacia el cátodo y los iones negativos hacia el ánodo. Los iones son neutralizados en los electrodos y precipitan la solución.

Si dos metales diferentes están sumergidos en un electrolito, se crea lo que se llama elemento galvánico. Entre los dos electrodos se crea un voltaje directo. Este principio se usa dentro de las celdas galvánicas. Las celdas galvánicas convierten la energía química en electricidad. Ellas constan de dos materiales diferentes en uno o dos electrolitos. El voltaje de una celda galvanica depende del material utilizado. Por ejemplo, la batería para el arranque es un elemento galvánico.

Magnetismo


Otro tema relacionado con la electricidad e importante de entender es el magnetismo o fuerza magnética. El magnetismo es una fuerza que actúa a una cierta distancia y es causada por un campo magnético. Esta fuerza atrae fuertemente materiales ferromagnéticos tales como el hierro, níquel y cobalto. En los imanes, la fuerza magnética atrae fuertemente el polo opuesto de otro imán y repele el polo similar. Cada imán esta rodeado por un campo magnético que es más potente en los extremos del imán. Cada imán siempre tiene dos polos que son llamados polo norte y polo sur. Algunos materiales se pueden magnetizar, por ejemplo, al moverlos a lo largo de un imán en la misma dirección varias veces. Con esta acción la fuerza magnética existente dentro del material es canalizada de manera que el material se vuelve magnético. Los materiales que mantienen su magnetismo son llamados imanes permanentes. Téngase presente que el calor puede destruir un imán permanente, de manera que este pierde su fuerza magnética.
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