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En esta lección: Unidades eléctricas estándar ----- Otras secciones: Conceptos básicos ----- Programando en C ----- Programando en C++ ----- Programando Windows 9x. ----- Teoría electrónica ----- Circuitos electrónicos ----- Actividades adicionales ----- Hipervínculos ----- Contácteme: Dudas y comentarios ----- |
Unidades eléctricas estándarLa mayoría de las personas involucradas en electrónica, sea como hobby o profesión, se inician construyendo kits electrónicos sencillos, de esta manera se familiarizan con términos eléctricos como voltaje, corriente, resistencia, potencia y energía, desarrollando un conocimiento de "sentido común" de ellos pero sin entender completamente su significado. Cuando se nos pregunta, ¿Qué es un volt? uno se siente tentado a responder en términos de la ley de Ohm: "Si una corriente de 1 ampere fluye a traves de un resistor de 1 Ohm se desarrolla un potencial de 1 volt en sus extremos". Esta definición no es de mucha ayuda para definir un volt porque se utiliza una unidad eléctrica para definir otra lo cual lleva a un razonamiento de círculo vicioso. Un adecuada definición de las cantidades eléctricas demanda examinar conceptos como longitud, tiempo, masa, fuerza, carga y un poco de física atómica. En primer lugar examinemos los conceptos de longitud, tiempo y masa, que son las unidades básicas de las cuales se derivan otras cantidades. En algunos casos una letra determinada puede tener múltiples significados sea como variable o como unidad, como la letra C, la cual es utilizada a la vez como variable de capacitancia y para representar la unidad de carga. Para diferenciar utilizaremos el tipo itálico para representar a las variables, asi, C representa la variable de capacitancia mientras que C indica la unidad de carga culomb. La variable estándar de longitud es l, aunque otras variables son similarmente utilizadas, especialmente la d para distancia, s para el desplazamiento, y x, y, y z, en referencia a un juego de ejes cartesianos. La unidad métrica estándar de longitud es el metro, abreviada m, y se define como 1,650,763.73 longitudes de onda de la luz rojo-naranja emitida por el Kriptón (Kr)-86 en descarga eléctrica, fenómeno que puede ser medido con gran precisión dado el equipo adecuado. Las variables estándar para el tiempo son t y T, en tanto que la unidad estándar es el segundo, s. Normalmente t sin subíndices se considera como tiempo corriendo, una variable independiente. En contraste, t con subíndices, como t0, t1, etc. indican una referencia de tiempo sea inicial o final. La variable T, con o sin subíndices se utiliza normalmente en electrónica para indicar tiempos específicos o periodos en una forma de onda. Un segundo se define como 9,192,631,770 ciclos de radiación del Cesio (Ce)-133. de esta forma, los relojes atómicos de Cesio-133 son típicamente exáctos a 1 pulso por segundo. La unidad métrica estándar es el kilogramo, kg, lo cual equivale a 1000 gramos, las variables son m ó M. La diferencia estriba en que m normalmente se refiere a la masa de un objeto, M se utiliza de forma similar pero en referencia a cuerpos celestiales muy grandes como el sol, la tierra y la luna. La nasa es una medida de cantidad y no debe confundirse con el peso. El peso es la fuerza debida a la gravedad, la cual varía ligeramente a lo largo de la superficie de la tierra debido al cambio de altitud con referencia al nivel de la mar. El kilogramo estándar es un cilindro de platino-iridio (Pt-Ir) que se encuentra en la oficina internacional de estándares en Sevres, Francia. Cuando un objeto equilibra exáctamente el kilogramo estándar en una balanza se dice que posee una masa de 1 kg. La primera cantidad derivada es la fuerza, F. Su unidad métrica es el Newton, N, llamada así en honor de Sir Isaac Newton. Entonces, 1 N es la fuerza necesaria para acelerar, ya sea empujando ó halando, una masa de 1 kg a 1 m/(s2), se escribe así: 1N=1kg*m/(s2). Observe como esta definición utiliza longitud, masa y tiempo. Por ejemplo, suponga Usted que tiene un carro de juguete con una masa de 1kg y lo mueve a lo largo de una mesa de superficie tersa, despreciando la fricción no es necesaria fuerza alguna para conservar el carro moviendose a esa velocidad. La variable de la velocidad es v. Sin embargo, para acelerar o desacelerar un objeto es necesario cambiar su velocidad ya sea en magnitud (velocidad) o en dirección, para hacer esto se requiere aplicar una fuerza, aún en el espacio, en ausencia de gravedad. La variable para la aceleración es la a, en tanto que la desaceleración es una aceleración negativa. En la proximidad de la superficie de la tierra la aceleración debido a la gravedad se considera para fines prácticos com equivalente a g=9.8m/(s2). El descubrimiento de la carga eléctricaLa carga eléctrica fué registrada por primera vez en el año 550 antes de Cristo por Tales de Mileto (Grecia, circa 640~546 a.C.), al notar que si frotaba ámbar con piel éste atraía pequeños objetos de corcho. La palabra griega que describe el ámbar es elekton que significa el origen de la electricidad. Encontró además que otros objetos reaccionaban de forma similar si se frotaban con objetos adecuados, tales objetos al ser frotados adquirían una carga eléctrica neta, es decir, se electrificaban. Una barra de vidrio se electrificaba al ser frotada con seda, y una barra de caucho se electrificaba al ser frotado con piel, ambas barras contenian diferentes tipos de cargas pues en experimentos hechos con ellas descubrieron que dos barras del mismo tipo se rechazaban, en tanto que si acercaban una barra de vidrio y una de caucho, éstas se atraían mutuamente. Una propiedad muy importante de la carga es la conservación. En cualquier circuito cerrado que incluya capacitores, si una carga de -Q aparece en una placa, una carga opuesta de +Q debe aparecer correspondientemente en la otra placa. En un circuito apagado, la carga total desplazada debe ser igual a cero. Para que la carga se conserve, lo dicho debe cumplirse cuando el circuito esté encendido, por lo tanto, en cualquier circuito cerrado, la carga neta desplazada debe ser igual a cero, aspecto muy importante cuando discutamos el tema de la capacitancia. El átomoPara entender a la electricidad se requiere entender a la materia. Toda la materia está compuesta de uno o más elementos que no pueden ser quimicamente descompuestos, como el oro (Au), el aluminio (Al) y el silicio (Si). La más pequeña división de un elemento es el átomo, el cual se compone de un núcleo extremadamente denso que contiene uno o más protones cargados positivamente, partículas neutras llamadas neutrones, y uno o más electrones cargados negativamente, igual en número a la cantidad de protones. Toda carga eléctrica está cuantizada, o compuesta de paquetes de carga. La magnitud de la carga depende del número de electrones extras ó ausentes orbitando en el átomo. un electrón es la unidad más pequeña de carga, generalmente denotada con la letra e, y la magnitud del resto de las cargas son múltiplos entero de e. La carga de un electrón está definida como negativa en tanto que un protón es positivo, sin embargo, ámbas cargas son idénticas en magnitud. Normalmente, un átomo no ionizado tiene tantos electrones como protones, las cargas opuestas se cancelan dejando nula carga neta. Los electrones orbitan en torno al núcleo, a mayor proximidad, mayor retención, por tanto, los electrones de las órbitas más alejadas del núcleo son fácilmente removidos del átomo por fricción ó luz, dejando el átomo con una carga neta positiva, ya que ahora contiene más protones que electrones. Un átomo puede además ganar electrones, adquiriendo así una carga neta negativa; éste es el motivo por el cual ciertos objetos al ser frotados adquieren cierta carga eléctrica. Campo eléctrico y la ley de CoulombEn 1785, Charles Augustin Coulomb (Francia, circa 1736~1806) encontró que la fuerza F entre las cargas Q1 y Q2 es directamente proporcional a su producto e inversamente proporcional al cuadrado de su separación, R. A ésta relación le llamamos Ley de Coulomb y está definida como F = k(Q1Q2) / R², donde k es la constante proporcional de Coulomb la cual depende del medio. La ley de Coulomb sólo es válida para R mucho mayor que el radio entre Q1 y Q2. Las unidades de F están en Newtons, N, mientras que R está en metros, m. La unidad de carga es el coulomb, C. En el vacío, k = 9x109 (N x m²)/C²; el valor de k en el aire es ligeramente superior. Si Q1 = Q2 = 1 C, y R = 1 m, entonces F = 9x109 N. La magnitud de la carga del electrón e fué medida por vez primera en 1909 por Robert Andrews Millikan (Estados Unidos, circa 1868~1953). Midiendo la carga de unas gotas de aceite en un campo eléctrico encontró que todas eran múltiplos enteros de 1.6x10-19 C/electrón, ó 6.25x1018 electrones/C. Como ya se mencionó, una partícula cargada en un campo eléctrico está sujeta a una fuerza. Cuando los electrones no se encuentran fuertemente ligados, como es el caso en las orbitas externas de los metales, éstos tienen movimiento. Tales materiales son los conductores. En aquellos donde escencialmente no existen cargas libres de movimiento los llamamos aisladores. Diferentes tipos de materiales presentan diferentes grados de conductividad. La unidad de la conductividad es el Siemen S, que es el recíproco de la resistencia, la cual discutiremos mas adelante. Corriente eléctrica y el AmpereLos materiales conductores tienen cierta cantidad de electrones en movimiento debido a la vibración aleatoria térmica, aún en ausencia de un campo eléctrico, tal movimiento es extremadamente rápido alcanzando una velocidad instantánea de aproximadamente 105 m/s. En ausencia de un campo eléctrico, éste movimiento es errático permaneciendo los electrones prácticamente en la misma región. Cuando se aplica un campo eléctrico a un conductor, los electrones de movimiento errático avanzan debido a la fuerza generada por el campo, la velocidad de avance es mucho menor que la velocidad instantánea, del orden de 1mm/s. La variable para la corriente es i en el caso de la corriente alterna, y de I para la corriente continua. La unidad de corriente es el Ampere, abreviada amp ó A en honor de Andre Marie Ampere (Francia, circa 1775~1836). Por definición, 1A = 1C/s independientemente del área del conductor. Si 1A fluye en un alambre, entonces 6.25x1018 electrones circulan en una sección del conductor cada segundo. El Volt con otros nombres...La definición de potencial, o fuerza electromotriz involucra los conceptos de trabajo y energía. La energía es la habilidad para hacer un trabajo. El trabajo resulta en el movimiento de un objeto y está definido como el producto de la fuerza aplicada a un objeto y la distancia que recorre. La unidad de trabajo es por lo tanto el Newton-metro N-m. La unidad de trabajo, ó un Newton-metro se llama joule, abreviado J en honor de James Prescott Joule (Inglaterra, circa 1814~1889). Por ejemplo, si una fuerza de 5 Newton se requiere para empujar un objeto y tal objeto se mueve una distancia de 3 metros en la dirección de la fuerza aplicada, entonces se ha ejecutado un trabajo de 15 joules. El concepto de trabajo y diferencia de potencial puede ser ilustrado examinando la operación básica de una batería. Dos terminales de una batería consisten de dos cargas opuestas que mantienen una diferencia de potencial constante por medios químicos. Debido a la diferencia de cargas debe existir un campo eléctrico entre las terminales de la batería. éste campo eléctrico tiene la habilidad de ejecutar un trabajo en una carga eléctrica. Hemos llegado a la unidad de diferencia de potencial, la cual está definida como el número de joules por coulomb (J/C), o trabajo por carga, ésta unidad se llama volt (V) en honor de Alessandro Guiseppe Antonio Anastasio Volta (Italia, circa 1745~1827). Por ejemplo, en una batería de 12 volts se requieren 12J de energía para mover una carga de 1C de una terminal a otra de la batería. Los términos voltaje, diferencia de potencial y fuerza electromotriz son equivalentes y a menudo se intercambian. Resistencia y la ley de OhmCuando una corriente fluye en un conductor debido a un campo eléctrico, los electrones ganan energía debido a su movimiento, llamada energía cinética. Conforme se mueven, los electrones chocan con átomos del conductor disipando energía en forma de calor, se dice entonces que el conductor tiene un cierto grado de resistencia al flujo de la corriente eléctrica. Georg Simon Ohm (Alemania, circa 1787~1854) en cuyo honor fué nombrada la unidad de resistencia, el ohm, demostró que la corriente que fluye en un conductor es directamente proporcional al voltaje a través de él, éste concepto resulta aparente ya que sabemos que un mayor voltaje produce un campo eléctrico mayor y por lo tanto ejerce una fuerza eléctrica mayor en las cargas del conductor. Ésta relación se conoce como ley de Ohm y podemos escribirla como V = IR, donde V es el voltaje a través del conductor, I es la corriente en Amperes a través del conductor, y R es la constante de proporcionalidad, la cual es una medida directa de la resistencia eléctrica del conductor. La ley de Ohm establece que si una corriente de 1 Ampere circula por un conductor cuando se le aplica una diferencia de potencial de 1 Volt, entonces presenta una resistencia de 1 Ohm. Capacitores y capacitanciaUn capacitor es básicamente dos superficies conductoras separadas por un dieléctrico, o aisaldor. La capacitancia de un elemento es su habilidad para almacenar carga eléctrica en sus placas. A mayor capacitancia (C), mayor la carga (Q) que puede almacenar en sus placas para el mismo voltaje (V) entre ellas. La capacitancia se define como C = Q / V, donde la capacitancia está en unidades de faradios F, llamados así en honor de Michael Faraday (Gran Bretaña, circa 1791~1867). Si un capacitor está especificado como de 1 F, entonces puede almacenar 1 C en sus placas con 1 volt a través de ellas. Un faradio es una cantidad extremadamente grande de capacitancia, los capacitores prácticos tienen capacitancias del orden de los microfaradios (µF) ó picofaradios (pF). Los aspectos que afectan el valor de la capacitancia son el área de las placas que conforman el capacitor, la distancia entre las placas y el tipo de dieléctrico utilizado. Podemos combinar diversos capacitores en un circuito, ya sea en conexión paralelo ó en serie en forma similar a como se hace con las resistencias, excepto que cuando conectamos dos ó más capacitores en paralelo, la capacitancia total se suma, en tanto que en capacitores conectados en serie, la capacidad total la encontramos con el inverso de la suma de los valores inversos de cada capacitor. Inductores e inductanciaUn inductor, también conocido como bobina, consiste de una cierta longitud de alambre enrollada en una forma toriodal ó solenoidal, con ó sin un núcleo (férrico por lo general). La inductancia L de una bobina es su habilidad de almacenar energía en forma de campo magnético. La unidad de la inductancia es el henry. Un henry es la cantidad de inductancia necesaria para producir un volt a través de una bobina cuando una corriente cambia a razón de un ampere por segundo, matemáticamente se expresa así: L = E / ( dI/dt), donde E es el voltaje inducido y dI/dt es la razón de cambio de corriente en amperes por segundo. Podemos combinar una serie de inductores en un circuito sea en paralelo ó en serie, la inductancia total se obtiene aplicando las mismas fórmulas que para los resistores, es decir, la inductancia total en serie es la suma algebraica de los inductores individuales en tanto que la inductancia total en paralelo se obtiene calculando el inverso de la suma de los valores inversos de cada inductancia. PotenciaLa potencia es la tasa en tiempo de almacenamiento ó aportación de energía sea ésta eléctrica, térmica o de cualquier otra forma. La potencia por lo tanto tiene unidades de trabajo por tiempo y se mide en joules por segundo (J/s), la llamamos watt en honor de James Watt (Escocia, circa 1736~1819). Para determinar la definición de un watt, debemos pensar en términos de la tasa a la cual el trabajo se hace sobre una carga eléctrica. Como 1 A = 1 C/s, y 1 W = 1 J/s, entonces la constante de proporcionalidad está en J/C, ó voltaje. Por lo tanto P = E x I, y como la ley de Ohm dice que E = I x R, entonces P = I² x R = ( E² ) / R.
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