Comente y voltaje

2.1 LO S T O M O S Y S U ESTRU CTU RA

Un conocimiento bsico de los conceptos fundamentales de comente y voltaje requiere cierto grado de familiar dad con el tomo v mi estructura. El tomo ms simple e.s el de hidrgeno, y est formado por dos partculas bsicas, d protn y el electrn, en las posiciones relativas que se muestran en la figura2.1 (a). E l ncleo del tomo de hklrgtno es el protn, una pancula cargada positivamente. 7 efeeirn que g ira alrededor posee mu carga negfiwi de Magnitud igual a o atrgu positiva del pwtn. En todos los dems elemcnios

KlecitMl

rf Ncleo

f

y ; ^ / / Pioin

mt tonvi de hrnrno

Kkcirort

ftOtOlWS /

?NcIco

Etecwones- 0 ,

Utirtode helio

F IG URA 2.1Los tomos de hidrfigeno y de helio.

32 I l CORRIENTE Y VOLTAJE< i

qumicos hasta ahora conocidos, el ncleo conlienc tambin neutrones, los cuales son ligeramente ms pesados que los protones y no cuentan con carga elctrica. E! tomo de helio, por ejemplo, cuerna con dos neutrones adems de los dos electrones y los dos protones. como se muestra en la figura 2 J (b ) , En fObs ios tomos Mutros et nmero de electrones es igual a l nmero de pro- jones. La masa del electrn es igual a 9.11 X 10 * g. y la del protn y e! neutrn es igual a 1.672 X 10"24 g. La masa del protn (o neutrn) es, por tamo, aproximadamente 1336 veces la del electrn. E l radio del protn, del neutrn y del electrn se encuentra en el orden de magnitud de 2 x 10 15 m.

Para el caso del tomo de hidrgeno, el radio de la rbita mas pequea que sigue el electrn es de cerca de 5 x 10 11 m. E l radio de esta rbita es aproximadamente 25,000 veces el radio del electrn, el protn o el neutrn. Esto equivale aproximadamente a una esfera del tamao de una moneda de diez centavos de dlar girando alrededor de otra esfera del mismo tamao situada a ms de un cuarto de milla de distancia.

Distintos tomos tendrn diferente nmero de electrones dentro de las capas concntricas alrededor de! ncleo. La primera capa, la cual es la ms cercana al ncleo, puede contener slo dos electrones. S i un tomo llegara a tener tres electrones, el tercer electrn deber ir a la siguiente capa. La segunda capa puede contener un mximo de ocho electrones: la tercera. 18: y la cuarta, 32; segn lo determina la ecuacin 2ir . donde ti es el nmero de la capa. Estas capas, por lo regular, se simbolizan por un nmero (n = I, 2, 3, . . .) o por letras (n = k, /, m .. .

Cada capa se divide a su vez en su be ap as. donde la primera subeapa puede contener un mximo de dos electrones; la segunda subeapa. seis electrones; la tercera, diez electrones: y la cuarta, catorce electrones; segn se muestra en la figura 2.2. Por (o general, las subeapas se simbolizan mediante las letras s. I>. d, y j , en ese orden, hacia el exterior del ncleo.

\

Ncleo

2 electrones puede determinarse mediante la ley de Coulomb;

F (atraccin o repulsin) = *0102r1

(newton. N ) (2.1)

donde F se encuentra en newton. k - una constante = 9.0 x 10* N m '/C . Q\ y Q 2 son las cargas en coulombs (se presentarn en la seccin 2.2). y r es la distancia en metros entre las dos cargas. En particular observe el trmino

2.2 CORRIENTE iU 33

cuadrtico / en el denominador. que ocasiona una rpida disminucin de los niveles de F ame valores crecientes de r. (Vcse Figura 2.3.)

Por tan[os en et alomo ios electrones se repelern enire s. y protones y cJcc- nones se al raern entre s. Dado que el ncleo est compuesto de muchas cargas posivas (protones), existir una fuerza de atraccin grande para los electrones en las rbitas cercanas al ncleo [observe los efectos de una carga grande Q y una disrancia pequea r en Ja ecuacin (2 .1 )J. A medida que la dis- lancia entre el ncleo y Jos electrones situados en las rbitas se incrementa. a fuerza de atraccin disminuye hasta que alcanza su menor nivel en a ltima subeapa exterior (la mayor r). Gracias al debilitamiento de las fuerzas de atraccin. se requerir gastar menos energa para extraer un electrn de una capa exterior que de una interior. Tambin, por lo general es posible extraer elec- troes ms fcilmente de tomos que cuentan con subeapas exteriores incompletas v, adems, que tienen pocos electrones. Estas propiedades del tomo que permiten la movilizacin de electrones bajo ciertas condiciones son esenciales para crear movimiento de carcas. Sin tal movimiento, este te>:to no podra continuar ya que nuestras cantidades bsicas dependen de l.

E l cobre es el material utilizado con mayor frecuencia en la industria e\6c- fiica/elcctrnica. E l anlisis de su estructura atmica ayudar a identificar la causa de sus amplias aplicaciones. E l tomo del cobre (Figura 2.4) cuenta con un electrn ms de lo.s electrones necesarios para completar las tres primeras capas. Esta capa exterior incompleta, que cuenta con un solo electrn, y la distancia entre este electrn y el ncleo muestran que al vigsimo noveno electrn lo atrae muy dbilmente el tomo de cobre. S i este vigsimo noveno electrn adquiere suficiente energa del enlomo como para abandonar su tomo padre, se le denomina electrn libre. En una pulgada cbica de cobre a temperatura ambiente, existen aproximadamente 1.4 x lO 24 electrones libres. Otros metales que presentan las mismas propiedades del cobre, pero en distinto prado ion la plata, el oro. el aluminio y el tungsteno. En la seccin 3.2 se presenta un anlisis adicional de los conductores y sus caractersticas.

Francas(Angculnre, Pars)

(1736-1806} Cientfico a

invento* rn96ne*o mlrter,

Ind'ies Occidentales

C oriasa d7

Aasi u tu esencia d ngenitTa Mcricro. la ininxi'd escueta Je w Upo. Fonmil lu hy de Ctw- [Av p i MjbOip*s rearante* / se j/aMcyian vic ia-;

2.2 CORRIENTE

Considere

34 .11 CORRIENTE Y VOLTAJE

F IG URA 2.5Movimiento aleatorio de eiecinjws dzntw de un alambre de cabr -Un "pivsiti" ivierno

(irdtojtr) aplicada.

FIGURA 2.6 Movimiento aleatorio de efeetn?nes libres

en une7 estructuro atmica.

de electrones libres croado por la energa lmca que los clecciones adquieren del medio ambiente. Cuando los tomos pierden sus electrones libres, adquieren una carga neta positiva y se les denomina iones positivos. Los electrones I i bies se encuentran listos para moverse dentro de esios iones positivos y abandonar el rea general del tomo padre mientras que los iones positivos nicamente oscilan en una posicin fija media. Por esta razn.

ct cUtcirAu Ubre cv el parlador de cnru cti n;t alumbre de cobre o en cualquier 4Hnt conductor slido dv electricidad.

En la figura 2.6 se bosqueja una disposicin de iones positivos y electrones libres. Dentro de esta disposicin, los electrones libres se encuentran continuamente ganando o perdiendo energa por virtud del cambio en su direccin y velocidad. Algunos de Jos factores responsables de este movimiento aleatorio incluyen { i ) las colisiones con iones positivos y con o^ros electrones, las uerzas de atraccin para los iones positivos, y (3 ) la fuerza de repulsin que existe entre (os electrones. Este movimiento aleatorio de electrones libres es tal que. durante cierto periodo, el nmero de electrones que se traslada hacia Ja derecha del corte transversal de la figura 2.5 es exactamente igual aJ que se iras- lada hacia la izquierda.

fin ausencia difuerztis. externas aplicadas, d jlu jo itero de carga en u n couduefitr hacia cualquier direccin rv cera.

Ahora, conectemos un alambre de cobre entre las dos terminales de una batera y un Voto, como se muestra en la figura 2.7. para crear el ms simple de los circuitos elctricos. La batera, gracias a la energa qumica, colocar una cargo neta positiva en una terminal y unu carga neta negativa en la otra terminal. En el instante en que la conexin final se realice, los electrones libres (carga negativa) se desplazarn hacia la terminal positiva, mientras los iones positivos que permanecen en el alambre de cobre simplemente oscilarn en una posicin media fija La terminal negativa es una ' Juenie de electrones a ser exrados cuando los electrones del alambre de cobre se desplacen hacia la

Plano tinuvmuri

lr*i(Vr%

FIGURA 2.7Circuito elctrico bsico.

2.2 CORRIENTE III 35

terminal positiva. La actividad qumica de la batera absorber los electrones situados en la cor mi nal positiva y mantendr un suministro continuo de electrones en la terminal negaliva. E l flujo de carga (electrones) a travs del foco calentar el filamento de sie medame friccin hasta e punto en que se vuelva incandescente y emita la luz deseada.

Si 6.242 x l( ) r - electrones se desplazan a una velocidad uniforme a travos fie la seccin transversal circular de la figura 2.7 en I wginufo. el flujo de carga o am iente, se dice sor de I a m pe re < A i, en honor de Andr Marie Ampere (Figuro 2.8). El anlisis de caplulo T muestra claramente que esto es. una enorme cantidad de electrones que cruzan a travos de la superficie en I segundo. La corriente asociada con slo irnos cuantos electrones por segundo es irrelevante y de poco valor prctico. Con el propsito de establecer valores numricos que permitan comparaciones inmediatas en lie niveles, se defini un coulomb (C ) de carga como la carga total asociada con 6.242 X 10'* elceirones. La carga aso ciada con un electrn podr determinarse entonces a partir de:

Carga/eleclrn = Q , = 1C6.242 X 10i*

= i.6 x n r " c

La comente en amperes puede calcularse ahora militando la siguiente ecuacin:

I - ampere (A ) Q = coulomb* (C ) t - segundos (s)

(2.2)

La letra mayscula / se eligi a partir de la palabra francesa utilizada para referirse a la comente: inwm if. La abreviatura del S para cada cantidad que aparece en la ecuacin 2.2) se proporciona a la derecha do la ecuacin. La ecuacin muestra de forma clara que para intervalos iguales de tiempo, a mayor carga que t uva a travs del cable, ms intensa ser !a corriente.

Mediante manipulaciones algebraicas, es posible determinar las otras dos cantidades de la siguiente forma:

Fra(*c*Jlvor, Pars) 177S.1&36)

Matemtico y sko

Profese* da matemtica. COI*Fotyi0ctTr

Calculo r |Ecuacin (2.4)j:

f M - g - , M j_ x i g ^ C , |2 8 2 s f 5 x 10 A

Una segunda mirada a la lisura 2 J mostrar que las dos direcciones del 11 u- jo de carga han sido indicadas. Una cc ellas se d e n o m in a d o convencionah y la otra finjo de eivctnmes. En este texto nicamente >*e manejar el flujo convencional por una variedad de motivos, incluyendo el hecho de que es el ms utilizado en las instituciones educativas y en la industria, adems de ser e) empleado en el diseo de los smbolos de los dispositivos electrnicos y el preferido populamiente en la mayor parte de los paquetes de software de computadora. La controversia del flujo es resultado de un supuesto que se hizo, cuando se descubri la electricidad, con respecto a que era la carga positiva h pancula que se mova en los conductores metlicos. La eleccin del flujo convencional con seguridad no causar mayor dificultad ni confusin en los captulos siguientes. Una vez que la direccin de l ,sc establece. el asunto queda olvidado y el anlisis puede continuar sin confusin.

Consideraciones de seguridad

Es importante observar que incluso niveles bajos de comente que pasen a travs del cuerpo humano pueden causar serios y peligrosos efectos secundarios. Resultados experimentales muestran que el cuerpo humano comienza a reaccionar ante corrientes de slo unos cuantos mil amperes. A pesar de que la mayora de los individuos pueden soportar comentes de hasta l) mA por muy cortos periodos sin desarrollar serios efectos secundarios, cualquier comente superior a los 10 mA debe ser considerada peligrosa. De hecho, corrientes de50 ni A pueden causar severas descargas, y corrientes por encima de los 100 m A llegan a ser fatales. En la mayora de los casos la resistencia de la piel humana, cuando se encuentra seca, es lo suficientemente alta como para limitar la corriente a travs del cuerpo a niveles relativamente seguros para tas niveles de voltaje que tpicamente se encuentran en el hogar. Sin embargo, tenga presente que cuando la piel se encuentra hmeda debido a la transpiracin, el aseo personal. etc., o cuando la barrera de la piel est rota como consecuencia de una herida su resistencia baja drsticamente y los niveles de corriente pueden elevarse a niveles peligrosos con las mismas descargas de voltaje. En general, por tanto, recuerde simplemente que el aymt y la electricidad no se mezclan. Afortunadamente. existen dispositivos de seguridad en los hogares actuales ltales como el sistema de interrupcin de corriente por falla de tienra (G F C I) que se presentarn en el Captulo 4) que estn diseados especficamente para utilizarse en reas hmedas como baos y cocinas, pero los accidentes suceden. Trate la electricidad con respeto no con miedo.

2.3 VOLTAJE

E l flujo de carga descrito en la seccin anterior se establece mediante una ''presin" externa derivada de la energa que una masa tiene por virtud de su posicin: energa potencial.

Energa, por definicin, es la capacidad paro realizar trabajo. Si una masa t$h (joules. J ) (2.5)

V -V 2.3 VOLTAJE II 37

donde g es la aceleracin gravitacin a! (9.754 ni/s"), L a masa adquiere as el 'potencia!'* para realizar un trabajo lof conii> a pa si ir un objeto colocado sobre el plano de referencia. Si el peso se eleva mfis. la musa tendr un mayor cocfi- cientc de energa potencial y podr realizar trabajo adicional. Existe una obvia diferencio de jxneuciai entre las dos alturas por encima del plano de referencia.

En la batera de la tura 2.7. la accin qumica interna establecer (mediante un gasto de energa) una acumulacin de caigas negativas (electrones) sobre una terminal da terminal negativa) y cargas positivas (iones positivos) sobre la otra (la terminal positiva). Con csio s establece un "posicronamtcnto" de fas cargas que originar una diferencio d t potencial entre las terminales. S i se conecta un conductor entre las terminales de la hatera, fos electrones en la terminal negativa tendrn suficiente energa potencia! como para sobre ponerse a las colisiones con oirs partculas en el conductor, y a la repulsin que se origina por cargas similares, para poder alcanzar la terminal positiva a la que son atrados.

La carga puede elevarse a un mayor nivel de potencial mediante el gasto de energa de una fuente cxiema, o puede perder energa potencial a medida que viaje a travs de un sistema elctrico. En todo caso, por definicin:

Sepres entur una diferencia tU'ptUvncia!dc / Volt (V} entreds pantos si . i le energa a ! mover f coulomb (C) de carp cutre h>v d\ pitutw,.

La unidad de medicin voll se eligi en honor a Alessandro Volt a (Figura 2.9).Ete forma grfica, si se requiere un joule de energa (1 i ) para mover la carga

de un coulomb ( I C ) de la figura 2.10 desde una posicin .v hasta una posicin \\ la diferencia de potencia) o voltaje entre los dos puntos ser de un volt (1 V ). Si la energa requer da para mover Ja carga de I C se incrementa a 12 J debido a fuerzas adicionales de oposicin, entonces la diferencia de potencial se incrementar a 12 V. E l voltaje es entonces una seal de cunta energa se encuen* tra involucrada en el movimiento de una carga entre dos puntos en un sistema elctrico. Y de forma inversa, mientras mayor sea el nivel de voltaje de una fuente de energa tal como en una batera, ms energa se encontrar disponible para mover cargas a travs del sistema. Observe en el anlisis anterior que siempre se encuentran implicados dos puntos cuando se Jiabla de voltaje o diferencia de potencial. En el futuro, por tanto, ser muy importante recordar que;

una diferencio dv potencial o roiUtje siempre \r mide entre dos puntos cu c sistema. A l cam biar cualqtticr punto puede cam biar h diferencia de potencia! cutre Un don punto* bajo anlisis.

En general. la diferencia de potencial entre dos pu titos es dele mimada mediante:

V = - |p (volls) (2.6)

A travos de manipulaciones algebraicas obtenemos:

IV = Q V (joules) (2.7)

y (coulomb*) (2,8)

ItalianoiComo. P^ vial

I1745-ia27> FiswoProfesor isk*,

Pava, Italia

Inici experimentos s u K's t uosJ fdjiJ trabajando cort vros invtj'igjitlffTO tirop^w. Su pnn- vipi! aportacin uc d dcv'ttwllo Je mui fuente

E JE M P L O 2.3 Encuentre la diferencia de potencial entre dos punios en un sislema elctrico si se consumen 60 J de energa por una cargu de 20 C entre estos dos puntas.

S o lu c i n : Con la ecuacin (2.6):

W 60 JQ 20 C

= 3 V

E JE M P L O 2,4 Determine a energa consumida al mover una carga de 50 fiC mediante una diferencia de potencial de 6 V.

S o fu ti n : Con la ecuacin (2.7):

W = Q V = (50 x 10 6 C )(6 V ) = 300 X 10 * J = 300 p.t

La notacin juega un papel muy importante en el anlisis de sistemas elctricos y elecirnicos. Con e) objeto de distinguir entre fuentes de voltaje (bateras y similares) y cadas en el potencia) a travs de elemcilios disipadores, se utilizar la siguiente notacin:

E para fuentes de voltaje (volts)V para cadas de voltaje {volts)

Una fuente ocasional de confusin es la terminologa aplicada a es le fe mu. Los trminos que se encuentran con frecuencia incluyen potencial, diferencio \ te poieneial, voltaje, diferencia de v < tiraje (cada o t levad/!}, y fuerza electromotriz, Como se observ en la descripcin anterior, algunos Je stos se utilizan indistintamente. Las siguientes definiciones se proporcionan para apoyar el entendimiento del significado de cada trmino:

Potencial: E l vahaje e un puni con resprn a otro punto dentro del sistema elctrico. Par lo genera!, e l punto de referencia es fierra, h cual se en a i entra a ttn pote neial de cero.

D iferencia de potencial' f J i d ijeren d a algebraica de potencial (o voltaje) entre dos puntos de ana red.

\ ahaje: Cuando se encuentra a i dado, igual que el potencial, -es e l voltaje en un punto coa respecto a cierta referencia ta l tumo tierra (0 l'J,

Diferencia de rt dtaje: ! m difere neta algebraica en voltaje i poten c tai) entre don punto? del sistema. Una caula o una elevacin de voltaje ex tJ como su nombre lo indica.

Fuerza electromotriz {e n ifile ingls elcitrotnolive Ja re e }: i.a fuerza que establece e lJh ijo de cargo (o f arriente) ea un sistema debido a la aplicacin de una diferencia de p ah n d a l. liste trm ino xa tto se apfiea mucho en la literatura actual, sino que se asocia principalm ente can fuentes de energa.

En resumen, la diferencia de potencial (en volts) aplicada por una fuente de voltaje en un circuito elctrico es la "presin" ejercida para poner al sistema en movimiento y "causar" el flujo de carga o comente a travs del sistema elctrico. Una analoga mecnica del voltaje aplicado es la presin aplicada al agua en ana fuente. E l llujo de agua resultante a irave's del sistema es equivalente al flujo de carga a travs de un circuito elctrico. S in la presin aplicada por el g lifo el agua simplemente se asentar en la manguet a, de la misma forma que los electrones de un alambre de cobre no cuentan con una direccin general sin un volt aje aplicado.

\~ V 2 A FUENTES DE AUMENTACIN FIJAS (Cd) III 39

2.4 FU EN TES DE AL IM EN TAC I N FfJAS (cd)

La terminologa cd utilizada en el encabezado de esta .seccin es una abre* vi atura del termino corriente di re t a. el cu ni engloba los distintos sistemas elctricos en que existe un flujo de carga unidireccional < "en una sola direc- cm"). En los captulos siguientes se tratar mucho ms esta terminologa. Por ahora, consideraremos nicamente aquellas fuentes que proporcionan un voltaje lijo o corriente.

Fuentes de voltaje de cd

Debido a que la fuente de voltaje de ed es la ms familiar de los dos tipos de fuentes de alimentacin conocidos, ser analizada en primer lugar. E l smbolo empleado para todas las fuentes de voltaje de cd en este texto se muestra en la figura 2J 1; donde las longitudes relativas de las barras indican las terminales que representan.

Las fuentes de voltaje de cd pueden dividirse en ires amplias categoras: < 1) bateras (accin qumica). O ) generadores (electromecnicas), y (3) fuentes de alimentacin (rectificadas).

Bateras

Inform acin genera l Para la pe son a sin conocimiento del lema, una balera es la fuente de cd ms comn. Por definicin, una balera (palabra derivada de la expresin ' batera de celdas") consiste en una combinacin de dos o ms celdas similares, siendo una celda la fuente fundamental de energa elctrica desarrollada mediante Ja conversin de energa qumica o solar. Todas las celdas o pilas pueden dividirse en tipos p rim ario o secundario. Las del tipo secundario son recargables, me ni ras que las del primario no. Es decir, la reaccin qumica de la celda secundaria puede .ser invenida para restaurar su capacidad. Las dos bateras recargables ms comunes son las unidades de cido* plomo (empleadas principal me me en los automviles) y la batera de nquel-cadmio {utilizada en calculadoras, herramientas, unidades de llash fotogrfico. rasuradoras elctricas, etc.). La ventaja evidente de la unidad recargable es el reducido costo asociado con el hecho de no tener que reemplazar con Anuamente celdas primarias descargadas.

Todas las celdas que ve presentan en eie captulo excepto la celda solar, la cual absorbe energa do la Iu2 incidente en la forma de fotones, establecen una diferencia de potencial a costa de energa qumica. Adems, cada una cuenta con un eU rtn n b positivo y uno negativo* y un electrolito para completar el circuito enire los electrodos situados dcniro de la batera. El electrolito es el elemento de contacto y la fuente de los iones necesarios para efectuar la conduccin entre las terminales.

Pilas pantanas alcalinas y de yodo-litio La batera comn alcalina utiliza un nodo de zinc pulverizado + ): un electrolito de bidrxido de potasio inicial alcalino): y un ctodo de dixido de manganeso y carbn -> como se muestra en la figura 2.12la}. Observe en particular, en la lisura 2.l2(b>. que mientras ms grande sea la unidad cilindrica mayor ser la capacidad de come me. La unidad de linterna est diseada principalmente para uso de largo plazo. La figura 2.13 muestra dos unidades primaras de yodo-litio con un rea de aplicacin y un nivel que sern presentados ms adelante en esta seccin

Pila secundaria de cido-ptonio Para la unidad secundaria de cido-plomo que se muestra en la figura 2.14, e electrolito es de cido sulfrico y los electrodos son de plomo (Pb ) esponjado y de perxido de plomo PbOv). Cuando se aplica

FIGURA 2.11Situ fasto fxirti oto fucnhdt' wttvjc

40 MI CORRIENTE Y VOLTAJE

CuhertJpmim;i ____acero cromado

Eltlm liio do hidrxido d< potasio

Ctodo Je J

2.4 FUENTES DE ALIMENTACIN FIJAS (cd) III 41

Onficiopara prevenir incendios

Sep a rad o r de

fiqukl o/gas

Depsito de c le d ro l iio

B anda de

pfjc ii ce ni ral

Cubierta sepiradvra

Conexin rntKicckb ele

Cubierta con sello trmico

Piuca ais rada

FIGURA 2.14B a le r a de c id o -p lo m o de 12 V feo realidad de 12.6 V ) l ib r e (Cortesa de Delco-Remy, tina diriun de Genero? Motors Corp.)

la simple aplicacin de una fuente de corriente de cd extema a travs de la pila, la cual har circular corrienie a travs de !a celda en direccin opuesta a aquella con la que la celda proporciona comente a la carga. Esto eliminar el sulfato de plomo de* las placas y restaurar la concentracin de cido sulfrico.

La salida de una celda de al mace nam temo de plomo durante la mayor pane de la fase de descarga es de cerca de 2.1 V. En las balen as comerciales de almacenamiento de plomo empleadas en los automviles, es posible producir 12.6 V mediante seis celdas colocadas en serie, como se muestra en la figura 2.14. En general, las bateras de almacenamiento de cido-plomo se utilizan en situaciones donde se requiere comente alta durante periodos relativamente cortos. En algn tiempo todas Ja* bateras de cido-plomo eran ventiladas. Los gases creados duranic el ciclo de descarga podan escapar, y las tapas de ventilacin proporcionaban acceso para reemplazar el agua o electrolito y verificar el nivel de cido con un hidrmetro. Emplear una rejilla fabricada a pan ir de una banda de aleacin forjada de plomo-calcio en lugar de la rejilla fundida de plomo-antimonio comnmente utilizada dio por resultado bateras libres de mantenimiento, como la que aparece en la figura 2.14. La estructura de plomo-antimonio era susceptible a conosin, sobrecarga, escape de gases, empleo de agua y auto- dcscarga. sin embargo, la mejora en el diseo con la rejilla de plomo-calcio elimin o redujo sostancalmente la mayora de estos problemas.

Parecera que con todos los aflos de avances en la tecnologa alrededor de las bateras, actualmente podran encontrarse disponibles unidades ms pequeas y poderosas. Sin embargo, cuando se trata del automvil elctrico, que poco a poco est ganando inters y popularidad, la batera de cido-plomo sigue siendo la fuente principal de alimentacin. Un "auto de servicio', fabricado en Noruega y empicado sobre una base de prueba en San Francisco para viajes tpicos de empleados, tiene un peso total de 1650 libras, de las cuales 550 (un tercio de su peso) corresponden a las bateras recargables de plomo- cido. Aunque el auto de servicio podr viajar a velocidades de 55 mph, su alcance se limita a 65 millas por carga. A s que los viajes para cubrir largas distancias con factores de peso significativamente reducidos en las bateras dependern de nuevos e innovadores enfoques en el diseo de stas.

42 IJI CORRIENTE Y VOLTAJE

/Z\

Balera Eveready* BH 500 1.2 V. irfi uiAhftiU ticin: Donde Pii altura vertical es tuii gran lmittcii'i

fb)

F JGURA 2.15Bateras recargables de nquel-cadmio. {Cortesa de Baleros Eveirfidy.)

PilB secundaria d e nquel-cadm io La batera de nquel-cadmio es recargable y ej> artos recientes ha sido objeto de enorme imeres y desarrollo. Para aplicaciones como linternas* rasuradoras, (elevisiones poii]e,\. taladras de potencia, etc., la batera de nquel-cadmio (Ni-Cadj de la figura 2.15 es Ja batera secundaria de preferencia debido que los niveles de corriente son menores y el periodo de descarga continua es por lo general mayor. Una batera tpica de nquel cadmio puede sobrevivir cerca de 1000 ciclos de car2ti/descarga durante un periodo que puedo durar aos.

Es importante record; que cuando un aparato o sistema requieren una batera Ni-Cad, no deber emplearse una batera primaria. E l aparato o sistema pueden tener una red interna de carga que podra no funcionar con una celda primara. Adems, sea consciente de que todas las bateras de Ni-Cad ofrecen 1.2 V |X>p pila, mientras que la mayora de las pilas primara* comunes ofrecen por lo general 1.5 V por celda, Existe cieno ambigedad acerca de que tai) seguido deber recargarse una pila secundaria. Para la amplia mayora de situaciones, la balera puede ser utilizada hasta que se presente algn indicio de que el nivel de energa es bajo, como podra ser una Iu2 atenuada en una linterna, menor potencia de un taladro, o un indicador intermitente si es que el equipo cuerna con uno. Tenga presente que las celdas secundarias cuentan con ce ra 'memoria". S i se recargan continuamente despus de utilizarse por slo un periodo corto, comenzarn a funcionar como unidades de corto tiempo y realmente preservarn fallas en cuanto a mantener la carga por el periodo originalmente establecido. En cualquier caso, trate siempre de evitar una descarga "dura , la cual resulta cuando consume completameme loda la energa de Ja pila. Demasiados ciclos de descargas duras reducirn la vida til de la batera. Por ltimo, longa presente que el mecanismo de carga en las bateras de ique I- cadmio es muy diferente del instalado en las bateras de cido-plomo. L a bate ^ra de nquel'-cadmio so carga mediante una fuente de corriente consiante. con el voltaje lenninaT mantenindose bastante uniformo a lo largo de iodo el ciclo de carga. La batera de cido-plomo se carga mediante una fuente de voltaje constante, permitiendo que la corriente vare segn el estado de Ja batera. La

2.4 FUENTES DE ALIMENTACIN FIJAS

44 III CORRIENTE Y VOLTAJE

600 | 500 J 4 Mr I 300 :oo 100

o zoo 400 tK) ioou i:on

ttXi 2 W crnunutes disponibles: (b) voltaje positivo con ra jad o

a (f.r.a.) tierra: (el i-ohoje ?yaih c.r.a. wm>; (thfnntte flotante.

Viilciic 12 V

Incremento de corriente o iifinpofo i

CoiTnle JO mA

1*1

ncremcnio de voll.ijc o ijempo

2.5 CONDUCTORES Y AISLANTES III 47

TAS LA 2.1CvwhtctivUbd relama de distimos materiales.

Metal Conductividad relativa 1 **?)

Plata mCobre 100Oro 70.5Aluminio 6!Tungsteno 31.2Nquel 22.1Hierro 14Consuman 3.52Nictonw 1.73Calonla 1.44

LOS ;iislini1f.S( aquellos uXUerudes que lie usa potos

48 III CORRIENTE Y VOLTAJE ^ - V

aislantes comunes. De acuerdo con esa tabla, para aislantes con la misma forma geomtrica, se requerira 270/30 = 9 veces el potencial del aire para hacer pasar corriente a travs dc caucho, y aproximadamente 67 voces el voltaje para liaeer pasar la comente a travs de la mica en comparacin con el aire.

2.6 SEM IC O N D U C T O R ES

DMMen mockf volt/mciro

Lo s .Semiconductores son u/i grupo ripee Jico de elementos que prese titni dmclrristieas ubicadas i titre las de los aislantes y /

2.7 AMPERMETROS Y VOLTMETROS III 49

esto es abrir la trayectoria en la que se ni medida la comente y colocar e) medidor entre las dos terminales rc.su liante*. Para la con lie uncin a positiva, se obtendr una lectura positiva,

La introduccin de cualquier medidor den 1ro del sistema ClCCl rico/electrnico plantea la cuestin de si el medidor afectar el comportamiento del sis* lema. Esta cuestin y otras mas sern analizadas en Jos captulos 5 y 6. una vez que se hayan presentado trminos y conceptos adicionales. Por el momento, digamos que, como los voltmetros y los ampermetros no cuentan con fuentes memas, afectarn la red cuando se introduzcan con propsitos de medicin. No obstante, el diseo de cada instrumento es tal que el impacto se minimiza.

Existen instrumentos diseados para medir slo niveles do comente o niveles de voltaje. Sin embargo, los medidores ms comunes en el laboratorio incluyen el ioh-ohin-milUnttf?ermero (V O M ) y el tmthimtm) dig ital (D M M Digital Mulli meter) mostrados en las fie oras 2.27 y 2.28. respectivamente. Ambos instrumentos medirn eJ voltaje, la comente y una tercera cantidad, la resistencia, que ser presentada en el siguiente captulo. El V O M emplea una escala analgica, la cual requiere interpretar la posicin de la atuja sobre una escala continua, mientras que el D M M proporciona una pantalla de nmeros con precisin de decimales determinada por la escala seleccionada. A lo largo del texto se realizarn comentarios sobre las caractersticas y el empleo de distintos medidores: pero el principal estudio sobre estos instrumentos se deja para Jas sesiones de labora torio.

F IGURA 2.27 Metihfoi an idpeo yohohn-tniiiamperiinenv (Y O M l

(Corteta de Siittpsan Elecirie C

50 MI CORRIENTE Y VOLTAJE

2.8 A PL IC A C IO N ES

A lo largo del texto se han incluido secciones como esta de Aplicaciones para permiir una mayor investigacin de los trminos* cantidades o sistemas presentados en el captulo. E l principal propsito de estas Aplicaciones es establecer un vnculo entre los conceptos tericos del texto y el mundo real y prctico. Aunque la mayor parte de los componentes que aparecen en un sistema no se hayan presentado (y. de hecho, algunos no se analizarn sino hasta estudios ms avanzados), los lemas se seleccionaron cu dados menle y debern parecer interesantes para un nuevo estudiante de la materia. Se incluyen los comentarios suficientes como para proporcionar un entend miento general del papel de cada parte del sistema, en el entendido de que los detalles se vern posteriormente. Dado que no aparecen ejercicios del tema de las Aplicaciones al final del captulo, el contenido no est diseado para retar al estudiante sino para estimular su i me res y resolver algunas preguntas bsicas como i a forma en que ce muestran Jos sistemas por den no, el papel que juegan elementos especficos en el sistema y. por supuesto la forma en que trabaja el sistema. Por tamo, en esencia, cada seccin de Aplicaciones ofrece una oportunidad para comenzar a establecer una formacin prclica ms all de simplemente e! contenido del captulo. No se preocupe si no comprendo todos los detalles de cada aplicacin. E l entendimiento vendr con el tiempo y la experiencia. Por ahora, tome lo que pueda de los ejemplos y luego contine con el matciial

L in t e r n a s

Aunque la linterna utilice uno de los circuitos el cincos ms simples, algunos principios de su operacin llevan a sistemas ms sofisticados. En primer lugar, v lo ms evidente, se trata de un sis lema de cd con un tiempo de vfda completamente dependiente del csiado de las batera* y del foco A menos que sea del upo recargable, cada vez que se utiliza se reduce el tiempo de vida. Durante muchas horas la intensidad luminosa no disminuir de forma perceptible, sin embargo, a medida que se acerque al final de su capacidad ampe re-hora. la luz. comenzar a atenuarse a un ritmo cada vez mayor (casi exponencial mente). Para la linterna estndar de dos bateras que aparece en la figura 2,294ah con su esquema elctrico en la parte I b) de dicha figura, cada batera de 1.5 V cuenta con un valor nominal ampere-hora de cerca de 16 como lo sustenta la figura2 . f l E l foco miniatura de base saliente y un solo contacto posee los valores nominales de 2.5 V y 300 mA con buena luminosidad y vida de aproximadamente 30 horas. Treinta horas puede no parecer una vida larga, pcn> debe considerarse cunto tiempo, generalmente, se utiliza una linterna en cada ocasin. S i asumimos un consumo de 300 rnA de la batera al foco cuando se encuentra encendido, la vida de la batera, segn la ecuacin (2.9). ser de 53 horas. Comparar la vida de 53 horas' de la batera con la esperanza de vida de 30 horas del foco sugiere que normalmente tendremos que reemplazar los focos ms a menudo que (as bateras.

S in embargo, a la mayora nos sucede lo contrario: debemos cambiar las baleras dos o tres veces antes de necesitar cambiar el foco Esto es simplemente un ejemplo de! hecho de que no podemos guiamos nicamente por las especificaciones de cada componente de. un diseo elctrico. Las condiciones de operacin, las caractersticas de las terminales, y los detalles con respecto a la respuesta real del sistema para periodos coitos y largos tambin deben ser tomados en cuenta. Como se mencion, la batera pierde algo de su energa cada vez que se uliliza. Aunque el voltaje en sus terminales pueda no cambiar mucho al principio, su capacidad para proporcionare! mismo nivel de comente

2.3 APLICACIONES fll 51

Focoi i Kcevuw

y * T'''-sj2LAConitcrv IL \Sotv>rt(?

K Dolera D.| I.SV

Ijucnupior

se muestra en la figura 2.29c). fin la banda de prueba sobre es,(a batera, el rea de voltaje superior < la parte verde en la botera) se encuentra cercana a ) .5 V (eii- quclkla como 100%): el rea ms clara hacia la derecha, va de J.3 V hasta I V; y el rea de reemplazo (roja) .situada ni extremo derecho, cae por debajo de I V.

Tenga presente que el voltaje total suministrado de 3 V ser obtenido slo si Iris bateras se- conectan como se muestra en la figura 2.29b>. A l colocar uve i' dentalmente las dos terminales positivas juntas se obtendr un voltaje total de V, y et loco no encender, Para la gran mayora de tos sistemas coa ans de una bmera. la terminal positiva de una batera siempre estar colicuada o la term inal >temotiva de otra. Pont todas las bateras de bajo voltaje, el extremo con la saliente ser la term inal positiva, v et extrema plana ser la term inal negativa. Adems, el extremo ne$fftivo o plano de ana balera siempre se encontrar co nectado a la carcasa s diodos v.lo recti he adores se analizarn con todo detalle en su primer curso de electrnica. Algunos cargadores ile cd tambin incluirn un regalador para proporcionar un mejor nivel de cd (uno que vare menos con el tiempo o con la carga?. Dado que el cargador de batera de automvil es uno de los ms comunes, se describir cr> los siguientes prrafos.

En la figura 2.30 se presenta la apariencia externa y la construccin interna de un cargador do bateras manual Sears 6/2 AM P. Observe en la figura 2.30(b) que el transformador (como en la mayora de los cargadores) ocupa la mayor parte del espacio interno. E l espado adicional y Ion aigujeros en la carcasa son para asegurar que se disipe el calor generado ci causa de los niveles de corriente resultantes.

- Y 2.3 APLICACIONES III 53

IcucrrujXor de control

Interruptor de uridsd del circu ito

- y

Disparador de calor

Configuracin del rectificador (divdtw)

T ransfo rm ad o r

C o n e x i n a tiemien d " chasis

b)

F IG URA 2.30C a rg a d o r (te fx t fe r ia s ; ( a ) a p a r ie n c ia c i e r n o : ( h ) ( ( in s t ru c c i n in te rn a .

E l esquema de la figura 2.31 incluye todos los componentes bsicos del cargador. Observe primero que los 120 V del enchufe se aplican di reclame me a travs del primario del transformador. E l ritmo de carga de 6 A o 2 A lo determina la posicin del interruptor, el cual simplemente controla cuntos devanados del primario se conectarn al circuito para el rilmo de carga seleccionado.Si la balera se encuentra cargando al nivel de 2 A . todo el primario estar en el c i re u i lo, y la relacin de vueltas del primario a las vueltas del secundario ser

54 f ll CORRIENTE V VOLTAJE

FIGURA 2,31Esquema dc/ro para el Crj

2.8 APLICACIONES 111 5-5

2 A o 3 A. Para unidades como esta que no cuentan con apagado automtico. es imprtame desconectar el cargador cuando la corriente cae ni nivel de completamente cargada; de olr

56 III CORRIENTEVVOLTAJE V

P R O B LEM A S

SECCI N 2.1 Los tomos y su estructura1. La midad de electrones en rbita que poseen el aluminio y

Ja piara cu 13 y 47, i'especlivanrcmc. Dibuje las configura- oiones e leer r nicas, incluyendo todas las capas y Mibcapas. y disaua brevemente por qu cada uno do c:,to:> ele memos es un buen eonducior.

2. Cale ufe la fuerza equefla seguida por un electrn (5 X IT " no en un tomo de hidrgeno.

3. Calcule la fuerza de atraccin cu licitan entre las carcas Q\ y h que se muestran en la figura 2.34 cuandoi . i - I m b. r = 3 nie. r = 10 ni(Observe la rapidez cot que cae la fuerza ame un incremento en r.y

lj*C 2*0

9 9Qy i*------- r --------*:

GLOSARIO J 57

26. Cudi es el nivc Ah de una hatera que puede proporcionar 0.8 A durante ?> h?

27. Durante cunta* horas una balero con un nivel Ali Je 32 proporcionara. tericamente. una corriente de t .28 A?

28. Con ha*: en la figura 2.18(1), calcule el nivel de mAh para la hatera tveready1* BH 500 a 100&F y OC pitra un: corriente de descarga de 50 ni A.

29. Utilizando la liguni 2.l$ta). cu leu le cJ o\el de inAh para la batera Eveready" Rl 1500si el consumo de coneme es de 550 mA. Durante cunto tiempo propon:pnar esta confenle'.'

M i Por cunto tiempo es pos Me extraer 50 mA de la balera que aparece en f;i figura 2.13 ante?. de que su vohoje iermin.il caiga |K>]' debajo de 1 V? Determine el nmero de horas a una confenle consumida (te 150 mA, y compare la raMn de co- rrienie consumida a Ji razn resultante de Jueras de disponibilidad.

31. Una batera estndar de 12 V para automvil cuerna con un nivel ampcie-liova de -40 Air, mientras que una balera de silo desempeo tiene un nivel ule 60 A!i. Cmo se comparan los niveles de energa de cada batera y la comente disponible para propsitos de arranque7

*32. Empleando las ecuaciones re levanto vis las cji la> pasadas secciones. Je termine la energa disponible (en joules) de la balera Eveready que npaieec en la figura 2.15bi.

*33. Una televisin |*.TlUiJ que utiliza una batera recargable do J 2 V y 3 Ah puede operar por un periodo de cerca de 5.5 h. Cuil ecr la batera en joules?

34. Discuta brevemente las diferencias que hay cutre los tres tipos de fuentes de alimentacin de cd {baleras, rectificacin y generadores).

35. Compare las caractersticas de unu (neme de cotrieiiie de cd con las de una fue me de voltaje de cd. En que se parecen y cu que' se diferencian?

SECCI N 2.5 Conductoras y aislantes36. Integre una discusin acerca de diN propiedades de la estructura

atmica del ci>brc que lo hacen lio buen conductor.37. Nombre dos materiales que no aparezcan en la labia 2. pero

sean buenos conductores de electricidad.38. Explique U trminos afsitmv y ft propiedades lsicas hacen que sea particu

larmente tt/1 conn* conductor de electricidad.Conductores Materiales que permiten un finjo generoso do elec

trones con muy poco voltaje aplicado.Corriente directa Corriente que tiene una .sola direccin (unidi

reccional) y magnitud fija en el tiempo.

Coulomb (O l-a unidad fundamental de medicin del SI para la carga. Es igual a la car? Transportada por 6.242 X I01* electrones.

Diferencia de potencial Diferencia algebraica en el potencial (o voltaje) entre dos pumos en un sistema elctrico.

Electrolitos Elemento de contacto y fuente de iones entre loe; electrodos de una batera.

Electrn Pancula con polaridad negativa que rbita el ncleo del tomo.

Electrn libre Eleeirn no asociado con ningn lomo en particular. es relativamente libre de moverse a travs de una estmcrnrj cristalina regular bnjo la influencia de fueros c\remas.

Energa potencial Energa que una masa posee por virtud de u posicin.

Fuente de corriente de cd Fuente que proporciona un nivel de corriente fija incluso cuando la carga a la que se aplica pueda causar que e| voltaje en sus terminales cambie.

Generador de cd Puente de voltaje de cd disponible mediante la rotacin del eje del dispositivo por algn medio externo.

52 I I CORRIENTE Y VOLTAJE V^ v

Gravedad especfica Proporcin del peso de un volumen dado de una sustancia respecto ;il peso de un volumen igual de agua y 4C,

Ion positivo tomo que tiene carga neta positiva debido a la per dida de uno de sus electrones cargados negativamente.

Ley de Coulomb Ecuacin que define la fuerza de ai faccin o de repulsin entre dos cargas.

Ncurn Pancula sin corza elccirica que se encuentra en el ncleo del Aton*>.

Ncleo Centro esmtctural de un tomo que contiene tnnto protones como neutrones.

Protn Pancula de polaridad positiva que se encuentra en el ncteo de un tomo.

RcciJicaein Prkcso por el cual una scflal de eo se conviene a una que cuenta con un nivel de cd promedio.

Sendconducor Material que [lene un valor de conductancia entre el de un aislante y el de un conductor. Es de Valor nominal ampere-bora (Ab| Valor nominal de una fuente de energa que mostrar cunto empo un nivel particular de comente puede consumirse de una fuente.

Volt (V ) Unidad de medicin aplicada a 1a diferencia de potencial entre dos puntos. Si no joule de eneran requiere para mover un coulomb de carga entre dos puntos, la diferencia de potencial se dicc que es de un volt.

Voltmetro Instrumento diseado para medir el voltaje a travs de un elemento n entre dos puntos dentro de una red.