104666100 Principios de Electricidad y Electronica I Antonio Hermosa Donate

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Principios deelectricidad yelectrnica I

Principios de electricidad y

electrnica I


Amigo lector:

La obra que usted tiene en sus manos posee un gran valor.En eUa,su autor, ha vertido conocimientos, experiencia y muchotrabajo. El editor ha procurado una presentacin digna de sucontenido y est poniendo todo su empeo y recursos para quesea ampliamente difundida, a travs -de su red de comercia-lizacin.

Usted puede obtener fotocopias de las pginas dellihro parasu uso personal. Pero desconfie y rehse cualquier ejemplar"pirata" o fotocopia ilegal del mismo porque, de lo contrario,contrihuira al lucro de quienes, consciente o inconscientemen-te, se aprovechan ilegitimamente del esjuerzo del autor y deleditor.

La reprograja indiscriminada y la piratera editorial; nosolamente son prcticas ilegales, sino que atentan. contra lacreatividad y contra la difusin de la cultura.

PROMUEVA LA CREATIVIDADRESPETE EL DERECHO DE AUTOR

Al:

Amigo lector: La obra que usted tiene en sus manos posee un gran valor.

En eUa, su autor, ha vertido conocimientos, experiencia y mucho trahajo. El editor ha procurado una presentacin digna de su contenido y est poniendo todo su empeo y recursos para que sea ampliamente difundida, a travs de su red de comercia-lizacin.

Usted puede obtener fotocopias de las pginas del libro para su uso personal. Pero desconfe y rehse cualquier [jemplar "pirata" o fotocopia ilegal del mismo porque, de lo contrario, contrihuira al lucro de quienes, consciente o inconscientemen-te, se aprovechan ilegtimamente del esfuerzo del autor y del editor.

La reprograjfu indiscriminada y la piratera editorial, no solamente son prcticas ilegales, sino que atentq'fl, contra la creatividad y contra la difusin de la cultura. PROMUEVA LA CREA11VIDAD RESPETE EL DERECHO DE AUTOR


Principios de electricidad y electrnica I . Antonio Hermosa. Donate


Antonio Hermosa

ISBN 84-267~ 1153-7, edicin original publicada porMarcombo, S.A., Barcelona, Espaa Derechos reservados

2000 ALFAOMEGA GRUPO EDITOR, S.A. de C.V.Pitgoras 1139, Col. Del Valle 03100, Mxico, D. F.

Miembro de la Cmara Nacional de la Industria EditorialRegistro No. 2317

Internet: http://www.alfaomega.com.mxEmail: [email protected]

ISBN 970-15-0489-5

Derechos reservados.Esta obra es propiedad intelectual de su autor y los derechos depublicacin en lengua espaola han sido legalmente transferidosal editor. Prohibida su reproduccin parcial o total por cualquiermedio sin permiso por escrito del propietario de los derechos delcopyright.

Edicin autorizada para venta en Mxico, Colombia, Ecuador, Per,Bolivia, Venezuela, Chile, Centroamrica, Estados Unidos y el Caribe.

Impreso en Mxico - Printed in Mexico

Antonio Hermosa

ISBN 84-267-1153-7, edicin original publicada por Marcombo, S.A., Barcelona, Espaa Derechos reservados

2000 ALFAOMEGA GRUPO EDITOR, S.A. de C.V. Pitgoras 1139, Col. Del Valle 03100, Mxico, D. F.

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A lo que mejor me ha salido en mi vida,a pesar de que me parece haber dedicado

poca atencin, en parte por mi obsesiva vocacinpor las ciencias, el arte de ensear, ...

Vane y Maty, una obra casi perfecta.

A lo que mejor me ha salido en mi vida, a pesar de que me parece haber dedicado

poca atencin, en parte por mi obsesiva vocacin por las ciencias, el arte de ensear, ...

Vane y Maty, una obra casi peifecta.


Introduccin

Captulo 1. P1.1 Intro1.2 Princ

1.2.11.3 Estru

1.3.11.4 Carg

1.4.11.4.2

1.5 Corri1.5.1

1.6 Fuers1.7 Inten1.8 Tens1.9 Elem

1.9.1

1.9.2Ejerc

Captulo 2. Elel

2.1 Intro2.2 Elem

2.2.12.2.22.2.32.2.4


Introduccin.... XI

Captulo 1. Principiosfundamentales de la electricidad 11.1 Introduccin.. 11.2 Principios fundamentales de la electricidad. 1

1.2.1 Molculas, tomos y electrones........................................ 21.3 Estructura del tomo. 4

1.3.1 Configuracin electrnica: el nmero atmico................. 61.4 Cargas elctricas. Ley de Coulomb 8

1.4.1 Carga elctrica 81.4.2 Ley de Coulomb 10

1.5 Corriente elctrica 111.5.1 Conductores y aislantes 12

1.5.1.1 Buenos conductores 121.5.1.2 Aislantes 13

1.6 Fuerza electromotriz (f.e.m.).......................................................... 131.7 Intensidad de corriente elctrica.................................................... 141.8 Tensin elctrica 161.9 Elementos bsicos de un circuito elctrico 17

1.9.1 Sentido de la corriente elctrica 171.9.1.1 Sentido electrnico reaL..... 171.9.1.2 Sentido convencional......................................... 18

1.9.2 Corriente continua (c.c.) y corriente alterna (c.a.) 18Ejercicios propuestos...................................................................... 19

Captulo 2. Elcircuito elctrico. Efectos y medidas de lacorriente........................................................................ 21

2.1 Introduccin... 212.2 Elementos fundamentales de un circuito.................................... 22

2.2.1 Generador de electricidad... 222.2.2 Lneas conductoras......................................................... 232.2.3 Dispositivo de control.................................................... 262.2.4 Receptor. 27

Introduccin .... ........ .... ... ........ ....... ........ .......... ..... ......... ....... ...... .... ... XI

Captulo 1. Principios fundamentales de la electricidad .......... . 1.1 Introduccin.. ... ... ....... ..... ..... ... ........ ..... ... ...... ...... .......... ... ..... ..... ..... 1 1.2 Principios fundamentales de la electricidad ... ... ...... ....... .... .. ... ... ... 1

1.2.1 Molculas, tomos y electrones........................................ 2 1.3 Estructura del tomo............... ........ ......... ....................................... 4

1.3.1 Configuracin electrnica: el nmero atmico.... ...... ....... 6 1.4 Cargas elctricas. Ley de Coulomb.......................... .. ...... ..... ...... .. 8

1.4.1 Carga elctrica. ...... .... ... ... ......... ... ... .... .. ...... ................. ...... 8 1.4.2 Ley de Coulomb ... ... ... ..... .... . ... .. . .. ... ... ..... ... ........ ... ... ... ...... 10

1.5 Corriente elctrica ..... ... ..... ........ ..... .......... . ... ... ............. ...... .. ... .. . .... 11 1.5.1 Conductores y aislantes.... ........... ...... .... ...... .... ...... ... .... .... . 12

1.5.1.1 Buenos conductores ... ........................................ 12 1.5.1 .2 Aislantes .. ................. ... ............................... ... ..... 13

1.6 Fuerza electromotriz (f.e.m.)........ ..................... .. ....... ..... ........... .. .. 13 1. 7 Intensidad de corriente elctrica .... ................................. .. ....... ... ... 14 1.8 Tensin elctrica .............................. ... ................. .... .. ...... .............. 16 1.9 Elementos bsicos de un circuito elctrico ..... ... ... ...... ... .... .... ... ..... 17

1.9.1 Sentido de la corriente elctrica .... ... ... ..... ... .. ...... ........ ... ... 17 1.9.1.1 Sentido electrnico reaL...... .............. ... ..... .. ... ... 17 1.9.1.2 Sentido convencional.. .... ..... ............ ........ .... ... ... 18

1.9.2 Corriente continua (c.c.) y corriente alterna (c.a.) ............ 18 Ejercicios propuestos............. ......................................................... 19

CaptulO 2. El circuito elctrico. Efectos y medidas de la corriente............................ .. .......................................... 21

2.1 Introduccin... .. ....... .... ..... ...... ......... .................. ..... ... ..... .. ........... 21 2.2 Elementos fundamentales de un circuito...... .. ... ...... .... .... ........... 22

2.2.1 Generador de electricidad .. .................. ........ .... .............. 22 2.2.2 Lneas conductoras...................... ....................... .. ...... ... . 23 2.2.3 Dispositivo de control................ .. .... .. ... ............ ............ . 26 2.2.4 Receptor. ....... . .... ..... ... ..... ...... .. .. ... ...... ... .. .. ..... ....... ...... .. . 27

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2.3 Efectos y aplicaciones de la corriente elctrica .2.3.1 Efecto trmico .2.3.2 Efecto magntico .2.3.3 Efecto qumico .

2.4 Medida de la corriente y la tensin .2.4.1 Ampermetro .2.4.2 Voltmetro .Ejercicios propuestos .

Captulo 3. Resistencia elctrica ' .3.1 Introduccin .3.2 Resistividad de los conductores .3.3 Densidad de corriente .

3.3.1 Fusibles .3.4 Ejemplos de clculo sobre la resistencia de conductores .3.5 Conductancia .3.6 Variacin de la resistencia con la temperatura .

3.6.1 Coeficiente de temperatura .3.7 La resistencia como componente elctrico-electrnico .

3.7.1 Tipos de resistencias .3.7.2 Escala de valores de resistencia .3.7.3 Codificacin del valor. Cdigo de colores .3.7.4 Potencimetros .

3.8 Montaje de resistencias en serie y paralelo .3.8.1 Circuito serie .3.8.2 Circuito paralelo .

3.9 Medida de la resistencia (hmetro) .Ejercicios propuestos .

Captulo 4. Introduccin al clculo de circuitos.Ley de Ohm .

4.14.2

I

Introduccin .' .Ley deOhm .i .4.2.1 ~ Experimentacin de la ley de Ohm .4.2.2 Ejercicios de clculo basados en la ley de Ohm .Conceptos y ejercicios sobre cada de tensin y d.d.p .4.3.1 Cada de tensin .

4.3.1.1 Ejercicios de ejemplo .4.3.2 Diferencia de potencial (d.d.p.) .Aplicaciones de la ley 1e Ohm. Clculo bsico de circuitos .4.4.1 El circuito serie .

4.4.1.1 Ejercicios de ejemplo .4.4.2 El circuito paralelo .

4.4.2.1 Ejercicios de ejemplo .

4.3

4.4

ndice general

27 4.4.32829 Ejerc2930 Captulo 5. f\3032 5.1 Introi35 5.2 Leye

5.2.136 5.2.25.2.336 5.2.436 5.3 Mto38 5.3.139 5.3.241 5.4 Teon:42 5.4.143 5.4.243 5.5 Mto45 5.5.146 5.5.247 Ejerci4851 Captulo 6. Er5252 6.1 Introd53 6.2 Traba57 6.2.161 6.2.2

6363636568686869727474747878

6.3 Frrm6.3.1

6.4 Efect(6.4.16.4.26.4.3

6.5 Traba6.6 Rendi

Ejerci

Apndice l. IA1.1 IntrodAl.2 Sisten

A1.2.:


ndice general IX

4.4.3 Circuitos serie-paralelo (mixtos).................................... 804.4.3.1 Ejercicios de ejemplo 81

Ejercicios propuestos.................................................................. 88

2728292930303235

Captulo 5. Mtodos de anlisis y clculo de circuitos 915.1 Introduccin................................................................................ 915.2 Leyes de Kirchhoff..................................................................... 92

5.2.1 Ley de los nudos 925.2.2 Ley de las mallas............................................................ 945.2.3 Ejemplos de circuitos 955.2.4 Ejercicios desarrollados 98

5.3 Mtodo de Maxwell 1095.3.1 Metodologa de aplicacin 1095.3.2 Ejercicios desarrollados 110

5.4 Teorema de Thvenin................................................................. 1155.4.1 Principios fundamentales 1165.4.2 Ejercicios desarrollados 118

5.5 Mtodo de Millman 1265.5.1 Principios fundamentales 1265.5.2 Ejercicios desarrollados 127Ejercicios propuestos 129

36363638394142434345464748515252535761

Captulo 6. Energa y potencia elctrica 1316.1 Introduccin , 1316.2 Trabajo y potencia 132

6.2.1 Trabajo y potencia elctrica 1336.2.2 El vatio (W) 133

6.2.2.1 Ejemplos 1356.3 Frmulas prcticas sobre potencia y ley de Ohm 137

6.3.1 Ejercicios desarrollados 1386.4 Efectos calorficos de la electricidad. Ley de Joule 142

6.4.1 Energa calorfica 1426.4.2 Ley de Joule 1426.4.3 Ejercicios desarrollados 144

6.5 Trabajo elctrico. Unidad de consumo de energa elctrica 1456.6 Rendimiento 146

Ejercicios propuestos 147

6363636568686869727474747878

Apndice l. Bases matemticas 149Al.l Introduccin 149A1.2 Sistemas de ecuaciones 149

A1.2.1 Mtodo por sustitucin 150A.1.2.1.1 ?-jercicios de ejemplo 151

ndice general IX

4.4.3 Circuitos serie-paralelo (mixtos)... ...... .. ...... .... ........... .... 80 4.4.3.1 Ejercicios de ejemplo .. .. ... ........ ... .. ... ... ... ... ..... . 81

Ejercicios propuestos. .. ... .. .. .... .... .. ..... ....... .... .. .......... .. ...... ... ... .... 88

Captulo 5. Mtodos de anlisis y clculo de circuitos ........... 91 5.1 Introduccin............................................................................ .. .. 91 5.2 Leyes de Kirchhoff...... ... .... .. .... ... ......... .... .... ... .. .... .. ... .. ... .. ... .. .. .. 92

5.2.1 Ley de los nudos .... ... ... ... .... ... ......... ....... ...... .. ....... ......... 92 5.2.2 Ley de las mallas .. .. ...... ....... ........... ... .... .... ... ..... ........ ..... 94 5.2.3 Ejemplos de circuitos ........ ............ ......... ... .... .. ......... .. .... 95 5.2.4 Ejercicios desarrollados .. ................... ... .... .. .... ........... .... 98

5.3 Mtodo de Maxwell.. .... .. ...... .. ... .... ....... ..... .... .... .... .. .... ......... .. .. .. 109 5.3.1 Metodologa de aplicacin .. ... .... ... .... ..... ... ... ... ...... ..... .... 109 5.3.2 Ejercicios desarrollados .. ..... .. .......... ........................ .. .... 110

5.4 Teorema de Thvenin.... ... .. .... ..... .. ..... .... ... ....... .. .. ......... ..... ... ..... 115 5.4.1 Principios fundamentales .... .......... .. .. ....... ......... .. ... .... ... . 116 5.4.2 Ejercicios desarrollados ... ... ... .... .. ..... ... ... ... .. ..... .... .. .... ... 118

5.5 Mtodo de Millman .... ... ... .... ..... ... ... ..... .. ..... ...... .. .. .... ...... ..... .. .... 126 5.5.1 Principios fundamentales ........ ....................................... 126 5.5.2 Ejercicios desarrollados .. ....... .... ... ... ..... ... .. .. .. ..... ... ........ 127 Ejercicios propuestos .. .. .. ................ ... .... ... ...... ... ........... .. ........ .. .. 129

Captulo 6. Energa y potencia elctrica .................................. 131 6.1 Introduccin .......... .... ... ...... ..... .... ........ .... .. ..... ...... ..... .. .. . , .. .. .. ... ... 131 6.2 Trabajo y potencia ... .. ... ...... ... .. .... .... .... ... ...... .... .... .... .... .. ... ...... ... 132

6.2.1 Trabajo y potencia elctrica ...... ......... ... ... .... ... ... .... .. ...... 133 6.2.2 El vatio (W) ...... ...... ... ... ... ...... ... ..... ... ..... ... ...... ..... .. ..... .. .. 133

6.2.2.1 Ejemplos ... ... ..... .. ..... ..... .. ..... ..... .. ... ... ... ..... .... ... 135 6.3 Frmulas prcticas sobre potencia y ley de Ohm ..... .. ..... ..... ...... 137

6.3.1 Ejercicios desarrollados ..... ..... ............. ............. ...... ....... 138 6.4 Efectos calorficos de la electricidad. Ley de Joule ...... ... ..... .. .. . 142

6.4.1 Energa calorfica ... ...... ... ..... .. ......... .. .. ... .. ... .. .. ....... .... .. .. 142 6.4.2 Ley de Joule ... ... ...... ... .. .. ...... .. .. ..... ........ ...... .. ... ..... .. ... .... 142 6.4.3 Ejercicios desarrollados ... .. ........ ... ....... .. ....... ... ... .... .. .... . 144

6.5 Trabajo elctrico. Unidad de consumo de energa elctrica ....... 145 6.6 Rendimiento ..... ..... .... .... ... .... .. ... .... ... .... ..... .... ..... ... ... .. ... ... .. ... .. ... 146

Ejercicios propuestos .... .... ..... ... ... ..... .... .... ..... .. ... .. ......... .. ... ... ..... 147

Apndice l. Bases matemticas ...................................... , ........ 149 A1 .1 Introduccin ....... ... ... ...... ... ........ ...... ... ..... ... ..... ... .... ....... ..... .. .... ... 149 A1.2 Sistemas de ecuaciones ........................................ .. .. ....... ......... .. 149

A1.2.1 Mtodo por sustitucin .. .... .... ..... ....... ... ..... .. ... ........ ... ..... 150 A.1.2.1.1 ~jercicios de ejemplo .... ... ... ... .... ........ ... ... ..... 151


x ' ..ndice general

A1.2.2 Mtodo por igualacin 154A1.2.2.1 Ejercicios de ejemplo 154

A1.2.3 Mtodo por reduccin 156A1.2.3.1 Ejercicios de ejemplo 157

A1.2.4 Mtodo por determinantes 160A1.2.4.1 Determinantes de segundo orden 160A1.2.4.2 Determinantes de tercer orden 164

Apndice 2. Resumen de conceptos y frmulasfundamentales 170

Respuestas a los ejercicios propuestos 181 La materitales de la elecral, puede ser Ila electricidad,

En este ply que tambincia, leyes de O

La materisea lo mximo

A continu

1) Se exelctricas, conelectromotriz (

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3) Se decde resistividadcorriente, fusilla resistencia (etctera.

4) Se intrcircuitos elctrse hacen diver:

5) Se exanlisis y c1cKirchhoff, Maejercicios de ej

6) Se basversos ejercici(ley de Joule),

En un prirsiempre, neces

x ' ..ndice general

A1.2.2 Mtodo por igualacin ................ .. ...... .. ....... ....... .. .. .... ... 154 A1.2.2.1 Ejercicios de ejemplo .................................... 154

A1.2.3 Mtodo por reduccin ............ ............... ......... ...... ..... ... .. 156 A1.2.3.1 Ejercicios de ejemplo ... ....... .. ...... .. ................ 157

A1.2.4 Mtodo por determinantes ..................... ..... ......... .. ........ 160 A1.2.4.1 Determinantes de segundo orden .. ............ .... 160 A1.2.4.2 Determinantes de tercer orden ...... .... .... ........ 164

Apndice 2. Resumen de conceptos y frmulas fundamentales ..................... .... ......... ..... ............... 170

Respuestas a los ejercicios propuestos ..... ..... ..... ....... .... ... ........ . 181


.... 154

.... 154

.... 156

.... 157

.... 160

.... 160

.... 164' .

... 170

... 181 La materia que se expone en esta obra constituye los principios fundamen-tales de la electricidad y proporciona una introduccin a la electrnica. En gene-ral, puede ser de utilidad para todo aquel interesado en iniciarse en las bases dela electricidad, tanto con fines elctricos como electrnicos.

En este primer tomo de la serie se explican los principios de la electricidady que tambin lo son de la electrnica, tales como: corriente, tensin, resisten-cia, leyes de Ohm, Kirchhoff, Thvenin, etc.

La materia se expone con un nivel tcnico bsico-medio, procurando quesea lo mximo didctica posible y con un enfoque prctico.

A continuacin se detalla un breve resumen del contenido por captulos:

1) Se explican los principios fundamentales de la electricidad; cargaselctricas, conceptos de corriente y tensin elctrica, ley de Colulomb, fuerzaelectromotriz (f.e.m.), conceptos sobre corriente continua y alterna, etc.

2) Se introducen los conceptos y composicin del circuito elctrico, efectotrmico, magntico y qumico de la corriente elctrica, medidas de las magnitu-des: intensidad y voltaje, etc.

3) Se dedica todo el captulo al tema de la resistencia elctrica; conceptode resistividad, clculos prcticos de resistivdad en conductores, densidad decorriente, fusibles, variacin de la resistencia con la temperatura, conductancia,la resistencia como componente elctrico-electrnico, montajes serie-paralelo,etctera.

4) Se introduce la ley de Ohm, que es la base del anlisis y clculo de loscircuitos elctricos y electrnicos. Se explica el concepto de cada de tensin yse hacen diversos ejercicios de aplicacin de la ley de Ohm.

5) Se explican y aplican, mediante diversos ejercicios, los mtodos deanlisis y clculo de circuitos ms importantes en electricidad y electrnica:Kirchhoff, Maxwell, Thvenin y Millman. Se expone el desarrollo de diversosejercicios de ejemplo.

6) Se basa en el tema de la potencia elctrica. Se explican y se hacen di-versos ejercicios prcticos sobre potencia, efectos calorficos de la corriente(ley de Joule), consumo de energa, etc.

En un primer apndice se exponen las bases matemticas que resultan, casisiempre, necesarias en el anlisis de circuitos en electricidad y electrnica.

La materia que se expone en esta obra constituye los principios fundamen-tales de la electricidad y proporciona una introduccin a la electrnica. En gene-ral, puede ser de utilidad para todo aquel interesado en iniciarse en las bases de la electricidad, tanto con fines elctricos como electrnicos.

En este primer tomo de la serie se explican los principios de la electricidad y que tambin lo son de la electrnica, tales como: corriente, tensin, resisten-cia, leyes de Ohm, Kirchhoff, Thvenin, etc.

La materia se expone con un nivel tcnico bsico-medio, procurando que sea lo mximo didctica posible y con un enfoque prctico.

A continuacin se detalla un breve resumen del contenido por captulos:

1) Se explican los principios fundamentales de la electricidad; cargas elctricas, conceptos de corriente y tensin elctrica, ley de Colulomb, fuerza electromotriz (f.e.m.), conceptos sobre corriente continua y alterna, etc.

2) Se introducen los conceptos y composicin del circuito elctrico, efecto trmico, magntico y qumico de la corriente elctrica, medidas de las magnitu-des: intensidad y voltaje, etc.

3) Se dedica todo el captulo al tema de la resistencia elctrica; concepto de resistividad, clculos prcticos de resistividad en conductores, densidad de corriente, fusibles, variacin de la resistencia con la temperatura, conductancia, la resistencia como componente elctrico-electrnico, montajes serie-paralelo, etctera.

4) Se introduce la ley de Ohm, que es la base del anlisis y clculo de los circuitos elctricos y electrnicos. Se explica el concepto de cada de tensin y se hacen diversos ejercicios de aplicacin de la ley de Ohm.

5) Se explican y aplican, mediante diversos ejercicios, los mtodos de anlisis y clculo de circuitos ms importantes en electricidad y electrnica: Kirchhoff, Maxwell, Thvenin y Millman. Se expone el desarrollo de diversos ejercicios de ejemplo.

6) Se basa en el tema de la potencia elctrica. Se explican y se hacen di-versos ejercicios prcticos sobre potencia, efectos calorficos de la corriente (ley de Joule), consumo de energa, etc.

En un primer apndice se exponen las bases matemticas que resultan, casi siempre, necesarias en el anlisis de circuitos en electricidad y electrnica.


XII . Introduccin

En el segundo apndice se detallan una relacin de conceptos y frmulasmuy importantes que conviene tener siempre presentes.

Al final de cada captulo se proponen una serie de ejercicios, cuyos resul-tados se exponen despus de una forma desarrollada al final del libro en lti-mo captulo.

Por sus caractersticas, esta obra resulta especialmente interesante paralos estudios de formacin tcnica profesional, as como para la introduccin ala electricidad-electrnica para profesionales de otras especialidades y, en ge-neral para todo aquel interesado en las bases de la electricidad, tanto con fineselctricos como electrnicos.

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1.1 INTRODUEL AUTOR

Se puede erecida como COlEn electrnicacualquier sisterrenerga elctricelctrico. Asimila circulacin eelctrica); o seaelectrnica se edad, as como st

1.2 PRINCIPI(

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XII . Introduccin

En el segundo apndice se detallan una relacin de conceptos y frmulas muy importantes que conviene tener siempre presentes.

Al final de cada captulo se proponen una serie de ejercicios, cuyos resul-tados se exponen despus de una forma desarrollada al final del libro en lti-mo captulo.

Por sus caractersticas, esta obra resulta especialmente interesante para los estudios de formacin tcnica profesional, as como para la introduccin a la electricidad-electrnica para profesionales de otras especialidades y, en ge-neral para todo aquel interesado en las bases de la electricidad, tanto con fines elctricos como electrnicos.

EL AUTOR


aranage-nes

sul-lti-

1.1 INTRODUCCiNOR

Se puede decir que la electrnica es una extensin de la electricidad, apa-recida como consecuencia de los avances en la evolucin de la ciencia elctrica.En electrnica se trabaja tambin con todos los principios elctricos, ya quecualquier sistema electrnico, por simple o complicado que sea, se alimenta conenerga elctrica (pilas, red elctrica, etc.) y, por tanto, ya existe un procesoelctrico. Asimismo, todos los componentes electrnicos operan basndose enla circulacin de las partculas del tomo denominadas electrones (corrienteelctrica); o sea, bajo los principios de la electricidad. Y por ello en la tcnicaelectrnica se emplean tambin las magnitudes fundamentales de la electrici-dad, as como sus unidades: amperios, voltios, ohmios, vatios, etc.

1.2 PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE LA ELECTRICIDAD

La electricidad es un tipo de energa, y como tal, capaz de realizar trabajo.Ejemplo de sus aplicaciones prcticas son los motores, calefactores, lmparas,etc. Igual que ocurre con la fuerza magntica, no es visible, pero su existenciaqueda claramente manifiesta por los efectos que produce.

La fuerza de origen magntico (generada por cuerpos magnetizados) actasobre ciertos tipos de materiales (los denominados ferromagnticos), los cualespueden ser influidos por dicha fuerza. Delmismo modo, tambin existe fuerzade origen elctrico, generada por cuerpos con carga elctrica, invisible, perotambin capaz de producir una fuerza sobre otros cuerpos. Un experimento ca-racterstico de esto es el movimiento de atraccin (o repulsin) entre dos esferascargadas elctricamente.

Es fcil encontramos en algn momento con estas manifestaciones fsicasde la electricidad: al peinamos (a veces el pelo se pone de punta, siguiendo alpeine), al salir del coche y cerrar la puerta puede damos una especie de calam-bre, al caminar sobre moqueta pueden aparecer chispas por los pies, etc.; todoesto se debe a la accin de la electricidad, originada, en estos casos, por la frie-

Captulo 1 "

Principios fundamentales de la electricidad

1.1 INTRODUCCiN Se puede decir que la electrnica es una extensin de la electricidad, apa-

recida como consecuencia de los avances en la evolucin de la ciencia elctrica. En electrnica se trabaja tambin con todos los principios elctricos, ya que cualquier sistema electrnico, por simple o complicado que sea, se alimenta con energa elctrica (pilas, red elctrica, etc.) y, por tanto, ya existe un proceso elctrico. Asimismo, todos los componentes electrnicos operan basndose en la circulacin de las partculas del tomo denominadas electrones (corriente elctrica); o sea, bajo los principios de la electricidad. Y por ello en la tcnica electrnica se emplean tambin las magnitudes fundamentales de la electrici-d;:.d, as como sus unidades: amperios, voltios, ohmios, vatios, etc.

1.2 PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE LA ELECTRICIDAD

La electricidad es un tipo de energa, y como tal, capaz de realizar trabajo. Ejemplo de sus aplicaciones prcticas son los motores, calefactores, lmparas, etc. Igual que ocurre con la fuerza magntica, no es visible, pero su existencia queda claramente manifiesta por los efectos que produce.

La fuerza de origen magntico (generada por cuerpos magnetizados) aClJa sobre ciertos tipos de materiales (los denominados ferromagnticos), los cuales pueden ser influidos por dicha fuerza. Delmismo modo, tambin existe fuerza de origen elctrico, generada por cuerpos con carga elctrica, invisible, pero tambin capaz de producir una fuerza sobre otros cuerpos. Un experimento ca-racterstico de esto es el movimiento de atraccin (o repulsin) entre dos esferas cargadas elctricamente.

Es fcil encontrarnos en algn momento con estas manifestaciones fsicas de la electricidad: al peinamos (a veces el pelo se pone de punta, siguiendo al peine), al salir del coche y cerrar la puerta puede darnos una especie de calam-bre, al caminar sobre moqueta pueden aparecer chispas por los pies, etc.; todo esto se debe a la accin de la electricidad, originada, en estos casos, por la fric-


2 Principios fundamentales de la electricidad Principiosfunda

cin entre dos cuerpos diferentes que pasan de ser neutros a tener una ciertacarga de electricidad.

1.2.1 Molculas, tomos y electrones

Existen mmismo tipo; SOlqumicos: oro, 1

Los materse denominanagua, que estno) (figura 1.2;

Toda la ID:rro hasta el cuenes; y bajo estemanifestacionela deteccin dicuerpo. Por ejecas (ondas alfatroencefalgrafla epilepsia (fig

Los principios elctricos se encuentran en todos los tipos de materia, yaque sta se compone de molculas que a su vez estn formadas por tomos, yen stos se encuentra la partcula fundamental de la electricidad: el electrn,que es la mnima expresin de carga elctrica (negativa), y lo que da lugar a lacorriente elctrica y a todas sus manifestaciones.

Todos los sistemas elctricos y electrnicos, desde el ms elemental, comopuede ser una bombilla, hasta elmicroprocesador ms avanzado, se fundamen-tan en la circulacin controlada de electrones.

La molcula es la mnima parte que se puede obtener de una cierta materiasin que desaparezcan sus propiedades qumicas, o sea, sigue conservando las,mismas caractersticas del tipo de materia. Por ejemplo, si pudiramos partir ungrano de sal por la mitad, y cada trocito lo volviramos a partir por la mitad, yas sucesivamente, se llegara a obtener una minscula parte de materia que yano sera sal; obtendramos tomos de cloro y sodio, que es la composicinqumica de la sal comn (cloruro de sodio) (fig. 1.1).

~~

~ 1 tomo de sodio

Molculade sal

~ 1 tomo de cloro

Figura 1.1. Molcula de sal (cloruro de sodio). /

Fi2 tomos de hidrgeno

Molculade agua

~ 1 tomo de oxgeno

En el cerebea, o sea, de fo:unos impulsoserotrasmisores (sclulas objetivoes evitar que se 1

Asimismo,ciertos impulso:anormalidades.

Figura 1.2, La molcula de agua se compone de dos tomos de hidrgeno y uno de. oxgeno.

y en el caso del agua, la mnima cantidad que an sigue siendo agua -mo-lcula de agua- se compone de dos tomos de hidrgeno y uno de oxgeno(figura 1.2); la particin de la molcula dara lugar a tomos.

2 Principios fundamentales de la electricidad

cin entre dos cuerpos diferentes que pasan de ser neutros a tener una cierta carga de electricidad.

1.2.1 Molculas, tomos y electrones

Los principios elctricos se encuentran en todos los tipos de materia, ya que sta se compone de molculas que a su vez estn formadas por tomos, y en stos se encuentra la partcula fundamental de la electricidad: el electrn, que es la mnima expresin de carga elctrica (negativa), y lo que da lugat; a la corriente elctrica y a todas sus manifestaciones.

Todos los sistemas elctricos y electrnicos, desde el ms elemental, como puede ser una bombilla, hasta el microprocesador ms avanzado, se fundamen-tan en la circulacin controlada de electrones.

La molcula es la mnima parte que se puede obtener de una cierta materia sin que desaparezcan sus propiedades qumicas, o sea, sigue conservando las

, mismas caractersticas del tipo de materia. Por ejemplo, si pudiramos partir un grano de sal por la mitad, y cada trocito lo volviramos a partir por la mitad, y as sucesivamente, se llegara a obtener una minscula parte de materia que ya no sera sal; obtendramos tomos de cloro y sodio, que es la composicin qumica de la sal comn (cloruro de sodio) (fig. 1.1).

Molcula de sal

~ 1 tomo de sodio

~ 1 tomo de ClOro > Figura 1.1. Molcula de sal (cloruro de sodio).

Molcula de agua

~ 2 tomos de hidrgeno

~ 1 tomo de oxgeno Figura 1.2, La molcula de agua se compone de dos tomos de hidrgeno y uno de

> oxgeno.

y en el caso del agua, la mnima cantidad que an sigue siendo agua -mo-lcula de agua- se compone de dos tomos de hidrgeno y .uno de oxgeno (figura 1.2); la particin de la molcula dara lugar a tomos.


Principios fundamentales de la electricidad 3

Existen materiales que se componen exclusivamente por tomos de unmismo tipo; son los denominados cuerpos simples, y constituyen los elementosqumicos: oro, hierro, carbono, oxgeno, etc.

Los materiales cuya composicin se basa en diferentes tipos de tomos,se denominan cuerpos compuestos; un ejemplo sencillo y fundamental es elagua, que est formada de dos tipos distintos de tomos (hidrgeno y oxge-no) (figura 1.2).

Toda la materia se compone de tomos, desde un pequea porcin de hie-rro hasta el cuerpo humano, o sea, que las personas tambin poseemos electro-nes; y bajo este principio, se puede decir que somos tambin susceptibles a lasmanifestaciones elctricas. De hecho, muchos aparatos mdicos se basan enla deteccin de ciertas manifestaciones elctricas que se encuentran en elcuerpo. Por ejemplo, en el cerebro existen unas seales elctricas caractersti-cas (ondas alfa, beta, etc.) que, detectadas y analizadas por medio del elec-troencefalgrafo, permiten detectar ciertas enfermedades como, por ejemplo,la epilepsia (figura 1.3).

teria, yatomos, yelectrn,ugar a la

al, comondamen-

(Seal de electroencefalograma)

materiaando laspartir unmitad, ya que yaposicin Las neuronas se comunican

entre s de forma bioelctrica

En el cerebro se generan seales,...---- elctricas caractersticas

unode

En el cerebro las neuronas se comunican entre s de una manera biolctri-ea, o sea, de forma qumica y elctrica a la vez. El ncleo de la clula envaunos impulsos elctricos que, a travs de unas fibras nerviosas, llega a los neu-rotrasmisores (sustancia bioqumica); algunos neurotransmisores excitan susclulas objetivo para que se produzca un impulso elctrico, y otros lo que hacenes evitar que se produzca el impulso elctrico.

Asimismo, 'por medio del electrocardigrafo se pueden detectar y analizarciertos impulsos elctricos que se dan en el corazn, para detectar posiblesanormalidades.

Figura 1.3. En el cerebro se encuentra actividad elctrica.

gua-mo-oxgeno

Principios fundamentales de la electricidad 3

Existen materiales que se componen exclusivamente por tomos de un mismo tipo; son los denominados cuerpos simples, y constituyen los elementos qumicos: oro, hierro, carbono, oxgeno, etc.

Los materiales cuya composicin se basa en diferentes tipos de tomos, se denominan cuerpos compuestos; un ejemplo sencillo y fundamental es el agua, que est formada de dos tipos distintos de tomos (hidrgeno y oxge-no) (figura 1.2).

Toda la materia se compone de tomos, desde un pequea porcin de hie-rro hasta el cuerpo humano, o sea, que las personas tambin poseemos electro-nes; y bajo este principio, se puede decir que somos tambin susceptibles a las manifestaciones elctricas. De hecho, muchos aparatos mdicos se basan en la deteccin de ciertas manifestaciones elctricas que se encuentran en el cuerpo. Por ejemplo, en el cerebro existen unas seales elctricas caractersti-cas (ondas alfa, beta, etc.) que, detectadas y analizadas por medio del elec-troencefalgrafo, permiten detectar ciertas enfermedades como, por ejemplo, la epilepsia (figura 1.3).

Las neuronas se comunican entre s de forma bioelctrica

En el cerebro se generan seales ~---.... elctricas caractersticas

(Seal de electroencefalograma)

Figura 1.3. En el cerebro se encuentra actividad elctricao

En el cerebro las neuronas se comunican entre s de una manera biolctri-ca, o sea, de forma qumica y elctrica a la vezo El ncleo de la clula enva unos impulsos elctricos que, a travs de unas fibras nerviosas, llega a los neu-rotrasmisores (sustancia bioqumica); algunos neurotransmisores excitan sus clulas objetivo paroa que se produzca un impulso elctrico, y otros lo que hacen es evitar que se produzca el impulso elctrico.

Asimismo, 'por medio del electrocardigrafo se pueden detectar y analizar ciertos impulsos elctricos que se dan en el corazn, para detectar posibles anormalidades o


4 Principios fundamentales de la electricidad Estructuradel

1.3 ESTRUCTURA DEL TOMO uno de estos {cuerpos con ea

Unprincil

'Entre cargas 'Entre cargas

Los tomos se componen, fundamentalmente, de dos partes: ncleo y cor-teza. En el ncleo se encuentra la carga elctrica denominada positiva (+),compuesta por unas partculas llamadas protones, junto con otras que se cono-cen por neutrones. La carga positiva es debida a los protones; se puede decirque un protn es la mnima expresin de una carga elctrica positiva. Los neu-trones son partculas que, como su nombre indica, son neutras; no poseen cargaelctrica, pero su masa es del mismo orden que la del protn.

La corteza se compone de cargas elctricas denominadas negativas (-),compuesta por electrones; son las partculas ms importantes desde el punto devista elctrico-electrnico.

En la figura 1.4 se muestra una representacin tpica de la estructura de untomo. Como se observa, los electrones giran alrededor del ncleo en diferentescapas (rbitas), a semejanza del sistema planetario del universo.

Esto qued

Ncleo:carga positiva(protones)

Corteza:,''-9--_ Carga negativa-: '----_ "';/ (electrones)__ ~~.e -: ',_-,, "

" I + + \ ,: e +++ :. , +++ " "~ \ --- ~

.. .. - - .. ,' ,/'----9,'" Figura 1.5. ,

tomo de hidrgeno

Figura 1.4. Estructura de un tomo (hidrgeno); bsicamente, se compone del ncleo(carga positiva) y de la corteza (carga negativa).,

Puesto qUlsigno, aunquetales partculascia el ncleo; 1fuerza que orig

As, los t,ter elctricarru(electrones)COl

Cuanto rruza de atraccirde la ltima Clelectrones conpo de energa{gas elctricas rea la corriente

A ciertas'Ciertomovimielibres. '

De hecho, esta estructura del tomo se ha descrito en un modo simplista,puesto que se han detectado otras partculas (por ejemplo, los quarks), pero si-gue siendo vlida desde el punto de vista elctrico. As, resumiendo:

Protn: partcula elemental; mnima expresin de carga elctrica positiva (+)Electrl!l..nartcula elemental m(1Jima exnresin de carga elctrica negativa (-)

La cantidad de carga elctrica de ambas partculas es la misma, y en todoslos tomos en estado normal existe un nmero de protones igual al de electro-nes. Por ello, los tomos en su estado normal son elctricamente neutros, puestienen la misma cantidad de carga positiva que negativa.

Las denominaciones de positivo (+) y negativo (-) se emplean para indicarlos dos tipos de estados elctricos (o polaridades) diferentes que existen, deforma semejante a como ocurre con los polos sur y norte de los imanes. Cada


1.3 ESTRUCTURA DEL TOMO Los tomos se componen, fundamentalmente, de dos partes: ncleo y cor-

teza. En el ncleo se encuentra la carga elctrica denominada positiva (+), compuesta por unas partculas llamadas protones, junto con otras que se cono-cen por neutrones. La carga positiva es debida a los protones; se puede decir que un protn es la mnima expresin de una carga elctrica positiva. Los neu-trones son partculas que, como su nombre indica, son neutras; no poseen carga elctrica, pero su masa es del mismo orden que la del protn.

La corteza se compone de cargas elctricas denominadas negativas (-), compuesta por electrones; son las partculas ms importantes-desde el punto de vista elctrico-electrnico.

En la figura 1.4 se muestra una representacin tpica de la estructura de un tomo. Como se observa, los electrones giran alrededor del ncleo en diferentes capas (rbitas), a semejanza del sistema planetario del universo.

Ncleo: carga positiva (protones)

Corteza: , ' ' -9 --_ Carga negativa

,, ' '-- - -_ --,;/(eectrones) ___ ~e ,,' -,,-,

, "

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-----9-'" tomo de hidrgeno

Figura 1.4. Estructura de un tomo (hidrgeno); bsicamente, se compone del ncleo (carga positiva) y de la corteza (carga negativa).

,

De hecho, esta estructura del tomo se ha descrito en un modo simplista, puesto que se han detectado otras partculas (por ejemplo, los quarks), pero si-gue siendo vlida desde el punto de vista elctrico. As, resumiendo:

Protn: partcula elemental; mnima expresin de carga elctrica positiva ( + ) Elecl.rlli p'~ula ~!emell~l mJ1i111fl expn'lin de carga elctri.ca negativa (-)

La cantidad de carga elctrica de ambas partculas es la misma, y en todos los tomos en estado normal existe un nmero de protones igual al de electro-nes. Por ello, los tomos en su estado normal son elctricamente neutros, pues tienen la misma cantidad de carga positiva que negativa.

Las denominaciones de positivo (+) y negativo (-) se emplean para indicar los dos tipos de estados elctricos (o polaridades) diferentes que existen, de forma semejante a como ocurre con los polos sur y norte de los imanes. Cada


o y cor-tiva (+),se cono-de decirLos neu-en carga

ivas (-),puntode

a de uniferentes

el ncleo

simplista,, pero SI-

Estructuradel tomo 5

uno de estos estados elctricos posee cierta energa, y se sabe que entre doscuerpos con carga elctrica pueden manifestarse ciertas fuerzas.

Un principio fundamental en electricidad es el siguiente:

ntre cargas elctricas del mismo signo se produce una fuerza de repulsin'Entre cargas elctricas de di erente signo se roduce una tuerza de atraccin

Esto queda ilustrado en la figura 1.5.

Repulsin G) G)a)

Atraccin =:, -, ,, ,, ,: '.~ 8 :. ., .-. ",'G\ Atraccin 8\:!:I~" - -tomo de oxgenob)

Figura 1.5. Principio fundamental de atraccin y repulsin de cargas elctricas.

Puesto que los protones y los electrones. son cargas elctricas de diferentesigno, aunque sea en su mnima expresin, dichas fuerzas ya se ejercen entretales partculas. Por ello, en los electrones se ejerce una fuerza de atraccin ha-cia el ncleo; pero no llegan a l, y siguen su trayectoria orbital, debido a otrafuerza que origina el movimiento a gran velocidad.

As, los tomos, y la materia en general en su estado normal, son de carc-ter elctricamente neutro, pues tienen tantas cargas elctricas negativas(electrones) como positivas, (protones).

Cuanto ms separados del ncleo se encuentran los electrones, menos fuer-za de atraccin reciben stos hacia el ncleo. Son precisamente los electronesde la ltima capa los causantes de todos los fenmenos elctricos; al ser loselectrones con menos atraccin hacia el ncleo, son los que, mediante algn ti-po de energa externa, pueden dejar el tomo, dando lugar al concepto de: car-gas elctricas mviles o electrones libres, y son los causantes de que se produz-ca la corriente elctrica (fig. 1.6).

A ciertas temperaturas, en los electrones perifrico s ya puede existir un'cierto movimiento incontrolado, errtico, de tomo en tomo; son los electroneslibres. '

Estructura del tomo 5

uno de estos estados elctricos posee cierta energa, y se sabe que entre dos cuerpos con carga elctrica pueden manifestarse ciertas fuerzas .

Un principio fundamental en electricidad es el siguiente:

'Entre cargas elctricas del mismo signo se produce una fuerza de repulsin 'Entre cargas elctricas de di erente si no se roduce una uerza de atraccin

Esto queda ilustrado en la figura 1.5.

.. Repulsin

G) G) a)

Atraccin ~------- -, , , , , , : '. ~ 8 : . . , .

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b) tomo de oxgeno

Figura 1.5. Principio fundamental de atraccin y repulsin de cargas elctricas.

Puesto que los protones y los electrones son cargas elctricas de diferente signo, aunque sea en su mnima expresin, dichas fuerzas ya se ejercen entre tales partculas. Por ello, en los electrones se ejerce una fuerza de atraccin ha-cia el ncleo; pero no llegan a l, y siguen su trayectoria orbital, debido a otra fuerza que origina el movimiento a gran velocidad.

As, los tomos, y la materia en general en su estado normal, son de carc-ter elctricamente neutro, pues tienen tantas cargas elctricas negativas (electrones) como positivas, (protones).

Cuanto ms separados del ncleo se e~cuentran los electrones, menos fuer-za de atraccin reciben stos hacia el ncleo. Son precisamente los electrones de la ltima capa los causantes de todos los fenmenos elctricos; al ser los electrones con menos atraccin hacia el ncleo, son los que, mediante algn ti-po de energa externa, pueden dejar el tomo, dando lugar al concepto de: car-gas elctricas mviles o electrones libres, y son los causantes de que se produz-ca la corriente elctrica (fig. 1.6).

A ciertas temperaturas, en los electrones perifricos ya puede existir un 'Cierto movimiento incontrolado, errtico, de tomo en tomo; son los electrones libres. '


6 Principios fundamentales de la electricidad Estructuradel t

1++++1----

estado elctricctiva, pero la ne

El nmeropor tanto, tambse conoce por t

El nmerotomo, lo cual .facilidad de cotan en la ltimade electricidadtricidad son aqitima capa, com

La cantidatermina por me

electrn libre

Figura 1.6. Electrn que, por alguna circunstancia, deja de formar parte del tomo.

.Material neutro(n +e = n -e)

Material cargadonegativamente

(Ha ganado electrones)

Material cargadopositivamente

(Ha perdido electrones)

donde,E= nmero den = nmero de 1

Figura 1. 7. Representacin de un cuerpo neutro y otros cargados elctricamente.Adems, d

ximo, han de e;pas (rbitas), se

La corriente elctrica y la existencia de cuerpos con carga elctrica se debea que, por algn tipo de fuerza externa, los tomos pierden electrones libres,apareciendo as cuerpos con carga positiva y carga negativa (fig. 1.7).

Ejemplos:

Configura:la capa (K:2a capa (L)3a capa (M

Cuerpo cargado positivamente: sus tomos han perdido electrones, han dejadode ser neutros; tienen menos electrones que protones.Cuerpo cargado negativamente: sus tomos han recibido electrones, han deja-do de ser neutros; tienen ms electrones gue Q:.:::.ro;:;.t~o;.;:,n~e~s~. Como que

4a capa (N), y es su nmero altrnica.

As, los t(situado en una'dicho electrn 1consecuencia, d

El cobre esductores elctrnrelativo bajo pn

Son los electrones perifrico s los que caracterizan a los materiales comobuenos o malos conductores, segn la facilidad con que stos se mueven. Y estamayor o menor facilidad de movimiento depende de las caractersticas de lostomos que forman la sustancia en cuestin. Aparece as el concepto de mate-riales buenos y malos conductores de la electricidad.

Adelantamos que, cuando se produce un movimiento ordenado de electro-nes por medio de la aplicacin de una energa externa, aparece el concepto decorriente elctrica.

1.3.1 Configuracin electrnica: el nmero atmico Configura:la capa (K)2a capa (L)

Sabemos que en cada tomo en estado normal existe un nmero de proto-nes (cargas positivas) igual al de electrones (cargas negativas), por lo cual su

6 . ' Principios fundamentales de la electricidad

electrn libre ~e -------1~,.---

# - .......

Figura 1.6. Electrn que, por alguna circunstancia, deja de formar parte del tomo.

1++++1 ----

. Material neutro (n +e = n -e)

Material cargado negativamente

(Ha ganado electrones)

Material cargado positivamente

(Ha perdido electrones) Figura 1.7. Representacin de un cuerpo neutro y otros cargados elctricamente.

La corriente elctrica y la existencia de cuerpos con carga elctrica se debe a que, por algn tipo de fuerza externa, los tomos pierden electrones libres, apareciendo as cuerpos con carga positiva y carga negativa (fig. 1.7). Cuerpo cargado positivamente: sus tomos han perdido electrones, han dejado de ser neutros; tienen menos electrones que protones. Cuerpo cargado negativamente: sus tomos han recibido electrones, han deja-do de ser neutros tienen ms electrones gue Rrz.;0:o.lt;;:o::.:no;:e~s.~ ________ _

Son los electrones perifricos los que caracterizan a los materiales como buenos o malos conductores, segn la facilidad con que stos se mueven. Y esta mayor o menor facilidad de movimiento depende de las caractersticas de los tomos que forman la sustancia en cuestin. Aparece as el concepto de mate-riales buenos y malos conductores de la electricidad.

Adelantamos que, cuando se produce un movimiento ordenado de electro-nes por medio de la aplicacin de una energa externa, aparece el concepto de corriente elctrica.

1.3.1 Configuracin electrnica: el nmero atmico

Sabemos que en cada tomo en estado normal existe un nmero de proto-nes (cargas positivas) igual al de electrones (cargas negativas), por lo cual su


estado elctrico es neutro. En el ncleo se encuentra concentrada la carga posi-tiva, pero la negativa est distribuida alrededor del ncleo, en diferentes rbitas.

El nmero atmico de cada tomo indica su cantidad total de electrones (y,por tanto, tambin el de protones), lo cual determina su clasificacin en lo quese conoce por tabla peridica de los elementos.

El nmero atmico es necesario para saber la configuracin electrnica deltomo, lo cual nos puede dar una informacin prctica sobre la mayor o menorfacilidad de conduccin elctrica del material. Cuantos menos electrones exis-tan en la ltima capa, y ms alejados se encuentren del ncleo, mejor conductorde electricidad es el material; aS, los mejores materiales conductores de elec-tricidad son aquellos en los cuales sus tomos tienen un solo electrn en la l-tima capa, como es el caso de la plata y el cobre.

La cantidad mxima de electrones que puede contener en cada capa se de-termina por medio de la expresin:

Estructuradel tomo 7

tomo.

donde,E = nmero de electrones de la capa,n = nmero de la capa.

ente.Adems, debe cumplirse la condicin de que en la ltima capa, como m-

ximo, han de existir 8 electrones y en la penltima 18. Las primeras cuatro ca-pas (rbitas), se denominan K, L, M YN, siendo K la ms prxima al ncleo.

a se debees libres,

Ejemplos:

Configuracin electrnica del tomo de cobre. Su nmero atmico es 29.13 capa (K): 2 n2 = 2 x 12 = 2 xl = 2 electrones23 capa (L): 2 n2 = 2 x 22 = 2 x 4 = 8 electrones33 capa (M): 2 n2 = 2 X 32 == 2 x 9 = 18 electrones

dejado

Como que en estas tres capas ya suman 28 electrones, se deduce que en la43 capa (N), y ltima, slo habr un electrn; pues en total deben haber 29, quees su nmero atmico. En la figura 1.8a se representa dicha configuracin elec-trnica.

AS, los tomos del cobre disponen como carga mvil, un solo electrn, ysituado en una 43 capa; la poca fuerza de atraccin ejercida por el ncleo sobredicho electrn perifrico, hace que fcilmente ste pueda salir del tomo y, enconsecuencia, dar lugar a una corriente elctrica.

El cobre es el tipo de material normalmente utilizado para fabricar los con-ductores elctricos (hilos, cables), debido a su buena conductividad elctrica yrelativo bajo precio.

es comon.Y estaas de losde mate-

electro-ceptode

Configuracin electrnica del tomo de aluminio. Nmero atmico: 13.13 capa (K): 2 n2 = 2 x 12 = 2 xl = 2 electrones23 capa (L): 2 n2 = 2 X 22 = 2 x 4 = 8 electrones

Estructura del tomo 7

estado elctrico es neutro. En el ncleo se encuentra concentrada la carga posi-tiva, pero la negativa est distribuida alrededor del ncleo, en diferentes rbitas.

El nmero atmico de cada tomo indica su cantidad total de electrones (y, por tanto, tambin el de protones), lo cual determina su clasificacin en lo que se conoce por tabla peridica de los elementos.

El nmero atmico es necesario para saber la configuracin electrnica del tomo, lo cual nos puede dar una informacin prctica sobre la mayor o menor facilidad de conduccin elctrica del material. Cuantos menos electrones exis-tan en la ltima capa, y ms alejados se encuentren del ncleo, mejor conductor de electricidad es el material; as, los mejores materiales conductores de elec-tricidad son aquellos en los cuales sus tomos tienen un solo electrn en la l-tima capa, como es el caso de la plata y el cobre.

La cantidad mxima de electrones que puede contener en cada capa se de-termina por medio de la expresin:

donde, E = nmero de electrones de la capa, n = nmero de la capa.

Adems, debe cumplirse la condicin de que en la ltima capa, como m-ximo, han de existir 8 electrones y en la penltima 18. Las primeras cuatro ca-pas (rbitas), se denominan K, L, M Y N, siendo K la ms prxima al ncleo.

Ejemplos: Configuracin electrnica del tomo de cobre. Su nmero atmico es 29. la capa (K): 2 n2 = 2 x 12 = 2 xl = 2 electrones 2a capa (L): 2 n2 = 2 x 22 = 2 x 4 = 8 electrones 3a capa (M): 2 n2 = 2 X 32 == 2 x 9 = 18 electrones

Como que en estas tres capas ya suman 28 electrones, se deduce que en la 4a capa (N), y ltima, slo habr un electrn; pues en total deben haber 29, que es su nmero atmico. En la figura 1.8a se representa dicha configuracin elec-trnica.

As, los tomos del cobre disponen como carga mvil, un solo electrn, y situado en una 4 a capa; la poca fuerza de atraccin ejercida por el ncleo sobre dicho electrn perifrico, hace que fcilmente ste pueda salir del tomo y, en consecuencia, dar lugar a una corriente elctrica.

El cobre es el tipo de material normalmente utilizado para fabricar los con-ductores elctricos (hilos, cables), debido a su buena conductividad elctrica y relativo bajo precio.

Configuracin electrnica del tomo de aluminio. Nmero atmico: 13. 1 a capa (K): 2 n2 = 2 x 12 = 2 x 1 = 2 electrones 2a capa (L): 2 n2 = 2 X 22 = 2 x 4 = 8 electrones


8 Principios fundamentales de la electricidadCargaselctricas.

Aunque lasrre lo mismo ccelectrn:

a) b)

As, la masotra parte, comenominadas neut.protn. As, puecasi toda su mas

Aparecen epor algn tipo docurre, los electotro tomo. Se (carga elctrica pnes que de electde su entorno (fino son atrados .fuerza de repulsi

Si los tormquieren carga ne

Los tomosion positivo al tal tomo con car

tomo de cobren atmico: 29

tomo de aluminion atmico: 13

Figura 1.8. Estructura atmica de los tomos de cobre (a) y de aluminio (b).

Como estas dos primeras capas ya suman 10 electrones, en la siguiente ca-pa, y ltima, slo podrn haber 3 electrones, ya que en total tiene 13 (figura1.8b).

Aunque la conductividad elctrica del aluminio es inferior a la del cobre,tambin es otro buen conductor que es utilizado en la prctica, en parte, por subajo peso.

1.4 CARGAS ELCTRICAS.LEYDECOULOMB.0-.

1.4.1 Carga elctricar::\\:..:;)Como se sabe, la rrnima expresin de carga elctrica la constituye el

electrn y el protn. Al ser de una magnitud tan pequea, se establece comounidad de carga elctrica el culombio (C), que equivale a la carga de aproxi-madamente seis trillones de electrones. tomocargac

positivamente

Unidad de carga elctrica: Culombio

1 Culombios 6.28 1018 electrones

Figura 1.9. Los ucarga el,

Por tanto, la cantidad de carga elctrica del electrn (y del protn) es: Campo elctrico

Carga del electrn (-e) = 1,602.10-19 CCarga del protn (+e) = 1,602 . 10-19 C

Las cargas Ielctrico, lo cualsimilar a la mag


Electrn r perifrico "'e /~~~~~~'~:~e\\

: G)ee 0~ : , . , . . ' , I , , ' ,

'.. El '9 \, ..: .: "" " \~,, " '~~"0~:' .. ' J=/ / /

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tomo de cobre n atmico: 29

tomo de aluminio n atmico: 13

a) b) Figura 1.8. Estructura atmica de los tomos de cobre (a) y de aluminio (b),

Como estas dos primeras capas ya suman 10 electrones, en la siguiente ca-pa, y ltima, slo podrn haber 3 electrones, ya que en total tiene 13 (figura 1.8b).

Aunque la conductividad elctrica del aluminio es inferior a la del cobre, tambin es otro buen conductor que es utilizado en la prctica, en parte, por su bajo peso.

1.4 CARGAS ELCTRICAS. LEY DE COULOMB 1.4.1 Carga elctrica

Como se sabe, la nnima expresin de carga elctrica la constituye el electrn y el protn, Al ser de una magnitud tan pequea, se establece como unidad de carga elctrica el culombio (e), que equivale a la carga de aproxi-madamente seis trillones de electrones.

Unidad de carga elctrica: Culombw

. /01 1 CulombiQ ~ 6 28 . 1018 electrones

Por tanto, la cantidad de carga elctrica del electrn (y del protn) es:

Carga del electrn (-e) = 1,602.10-19 e Carga del protn (+e) = 1,602 . 10-19 e


ienteca-3 (figura

es:

Cargaselctricas.Ley de Coulomb 9

Aunque las cargas elctricas del protn y electrn son las mismas, no ocu-rre lo mismo con sus masas. La masa del protn es mucho mayor que la delelectrn:

Masa del electrn: 9,11 .10-31 kgMasa del protn: 1,67.10-27 kg

As, la masa del protn es unas 1830 veces mayor que la del electrn. Porotra parte, como se sabe, en el ncleo tambin se encuentran las partculas de-nominadas neutrones, elctricamente neutras, pero su masa es similar a la delprotn. As, pues, se deduce que en el ncleo del tomo es donde se concentracasi toda su masa.

Aparecen cargas elctricas -materiales cargados elctricamente- cuandopor algn tipo de circunstancia los tomos pierden algn electrn. Cuando estoocurre, los electrones que dejan de formar parte de un tomo se mueven haciaotro tomo. Se dice entonces que los tomos que pierden electrones adquierencarga elctrica positiva, y dejan de ser neutros, al tener ms cantidad de proto-nes que de electrones; esto les da la propiedad de poder atraer otros electronesde su entorno (fig. 1.9). En su estado normal, tomo neutro, los electrones libresno son atrados porque la fuerza de atraccin del ncleo es compensada por lafuerza de repulsin por parte de la corteza (electrones).

Si los tomos reciben electrones, tambin dejan de ser neutros, ya que ad-quieren carga negativa, puesto que pasan a tener ms electrones que protones.

Los tomos que dejan de ser neutros se denominan iones. As, se denominaion positivo al tomo con carga positiva (ha perdido electrones), y ion negativoal tomo con carga negativa (ha ganado electrones).

Electrn atrado

e0 0----.",/

.@+\+ + :o

atraccin e Electrn___ no atrado

- ,..1 ~'-8 repulsin

tomo cargadopositivamente

tomo neutro

Figura 1.9. Los tomos que han perdido algn electrn dejan de ser neutros y adquierencarga elctrica positiva, con lo cual pueden atraer electrones libres.

Campo elctrico

Las cargas elctricas dan lugar tambin a lo que se conoce por campoelctrico, lo cual se puede manifestar experimentalmente. Se trata de una fuerzasimilar a la magntica, invisible, de accin a distancia, y que puede ser de

Cargas elctricas. Ley de Coulomb 9

Aunque las cargas elctricas del protn y electrn son las mismas, no ocu-rre lo mismo con sus masas. La masa del protn es mucho mayor que la del electrn:

Masa del electrn: 9,11 .10-31 kg Masa del protn: 1,67.10-27 kg

As, la masa del protn es unas 1830 veces mayor que la del electrn. Por otra parte, como se sabe, en el ncleo tambin se encuentran las partculas de-nominadas neutrones, elctricamente neutras, pero su masa es similar a la del protn. As, pues, se deduce que en el ncleo del tomo es donde se concentra casi toda su masa.

Aparecen cargas elctricas -materiales cargados elctricamente- cuando por algn tipo de circunstancia los tomos pierden algn electrn. Cuando esto ocurre, los electrones que dejan de formar parte de un tomo se mueven hacia otro tomo. Se dice entonces que los tomos que pierden electrones adquieren carga elctrica positiva, y dejan de ser neutros, al tener ms cantidad de proto-nes que de electrones; esto les da la propiedad de poder atraer otros electrones de su entorno (fig. 1.9). En su estado normal, tomo neutro, los electrones libres no son atrados porque la fuerza de atraccin del ncleo es compensada por la fuerza de repulsin por parte de la corteza (electrones).

Si los tomos reciben electrones, tambin dejan de ser neutros, ya que ad-quieren carga negativa, puesto que pasan a tener ms electrones que protones.

Los tomos que dejan de ser neutros se denominan iones. As, se denomina ion positivo al tomo con carga positiva (ha perdido electrones), y ion negativo al tomo con carga negativa (ha ganado electrones).

Electrn atrado e

.... 0- -_ /

9 G tomo cargado positivamente

atraccin e Electrn

_ _ _ no atrado -, . .1 ~

'8 . repulsin

tomo neutro

Figura 1.9. Los tomos que han perdido algn electrn dejan de ser neutros y adqieren carga elctrica positiva, con lo cual pueden atraer electrones libres.

Campo elctrico

Las cargas elctricas dan lugar tambin a lo que se conoce por campo elctrico, lo cual se puede manifestar experimentalmente. Se trata de una fuerza similar a la magntica, invisible, de accin a distancia, y que puede ser de


10 . Principios fundamentales de la electricidad Corriente elctr.

atraccin o repulsin. Se puede decir que existe una fuerza de campo elctricoen un cierto punto del espacio, si en dicho punto se ejerce fuerza sobre cual-, quier otro tipo de carg~s, la situacin de un cuerpo cargado elctricamentepuede ejercer cierta fuerza sobre otras cargas situadas a su alrededor, y en ciertaregin del espacio se dice que existe un campo elctrico.

La intensidad del campo elctrico, E, en un punto del espacio se definecomo: la fuerza que se ejerce sobre la unidad de carga elctrica positiva, q, si-tuada en dicho punto. Matemticamente:

--7--7 FE=-

q

siendo,F ='fuerza, en newtons.q = carga, culombios.

Sabemos

+e = -e = 1,6fuerza de atrae

La unidad de intensidad de campo elctrico se da, por tanto, en new-tonlculombio.

Al ser la fuerza, F, una magnitud vectorial, la intensidad de campo elctri-co, E, tambin es vectorial.

1.4.2 Ley de Coulomb!

Bajo esteCulombio (Cvaco y a 1me(newton).La ley de Coulomb viene a decir que la fuerza, F, ejercida entre dos car-

gas elctricas, q1 y q2, es directamente proporcional a su producto e inversa-mente proporcional al cuadrado de su distancia de separacin. Matemtica-mente se expresa por: 1.5 CORRIE

La come]trones, y se pu

siendo:K: constante de proporcionalidad.q, y qi: cargas elctricas, culombios (C).d: distancia de separacin, metros (m).

Corriente eli

Como se comprende, es similar a la fuerza de gravitacin universal deNewton. A mayor distancia de separacin, menos influencia existe entre lascargas y menor es la fuerza (de atraccin 'o repulsin). Asimismo, a mayor can-tidad de cargas, mayor ser la fuerza-que se ejercer (fig. 1.10).

Ejemplo:

Clculo de la fuerza de atraccin entre un protn y un electrn, situados auna distancia de 6.10-11 metros. Fig

10 . Principios fundamentales de la electricidad

atraccin o repulsin. Se puede decir que existe una fuerza de campo elctrico en un cierto punto del espacio, si en dicho punto se ejerce fuerza sobre cual-quier otro tipo de cargaj1\s, la situacin de un cuerpo cargado elctricamente puede ejercer cierta fuerza sobre otras cargas situadas a su alrededor, y en cierta regin del espacio se dice que existe un campo elctrico.

La intensidad del campo elctrico, E, en un punto del espacio se define como: la fuerza que se ejerce sobre la unidad de carga elctrica positiva, q, si-tuada en dicho punto. Matemticamente:

siendo, F ='fuerza, en newtons. q = carga, culombios.

--7 --7 F E =- q

La unidad de intensidad de campo elctrico se da, por tanto, en new-ton/culombio.

Al ser la fuerza, F, una magnitud vectorial, la intensidad de campo elctri-co, E, tambin es vectorial.

1 .4.2 Ley de CoulC?~b La ley de Coulomb viene a decir que la fuerza, F, ejercida entre dos car-

gas elctricas, q y q2, es directamente proporcional a su producto e inversa-mente proporcional al cuadrado de su distancia de separacin. Matemtica-mente se expresa por:

siendo: K: constante de proporcionalidad. q y q2: cargas elctricas, culombios (C). d: distancia de separacin, metros (m).

Como se comprende, es similar a la fuerza de gravitacin universal de Newton. A mayor distancia de separacin, menos influencia existe entre las cargas y menor es la fuerza (de atraccin 'O repulsin). Asimismo, a mayor can-tidad de cargas, mayor ser la fuerza .que se ejercer (fig. 1.10).

Ejemplo: Clculo de la fuerza de atraccin entre un protn y un electrn, situados a

una distancia de 6.10-11 metros. http://gratislibrospdf.com/

po elctricosobre cual-,ctricamente, y en cierta

io se definesitiva, q, si-

to, en new-

po elctri-

tre dos car-o e inversa-atemtica-

iversal dete entre lasmayor can-

, situados a

Corriente elctrica 11

Distancia de separacin(d)

Figura 1.10. Representacin de la ley de Coulomb.

Sabemos que las cargas de estas partculas elementales son:

+e = -e = 1,6.10-19 C. y la constante K, en el vaco, es de 9.109 Por tanto, lafuerza de atraccin ser:

Bajo este principio, tambin se puede definir la unidad de carga elctrica,Culombio (C), como la carga elctrica que situada frente a otra igual, en elvaco ya 1metro de distancia, da lugar a una fuerza de repulsin de 9.109 N(newton).

1.5 CORRIENTE ELCTRICA

La corriente elctrica aparce como consecuencia del movimiento de elec-trones, y se puede definir de la siguiente manera:

Corriente elctrica: es el aso ordenado de electrones a travs de un conductor

Flujo de electronesr ,circulando ordenadamente:corriente elctrica

. . f' 8-+ 8-+\8-+ 8-+ e--:.I:8-+8-+ 8-+ 8-+ 8-+

Cable conductor

Figura 1.11. Representacin del concepto de corriente elctrica.


12 Principios fundamentales de la electricidad Fuerzaelectromo

Basndonos en un smil hidrulico, la corriente equivale al agua, que circu-la por una tubera; y el conductor de electricidad, un cable de cobre, equivale,por tanto, a la tubera por la cual circula el agua. En la figura 1.11 se representael paso de la corriente elctrica a travs de un conductor.

1.5. 1.2 Aislan

Se entiendea su estructura ano permiten el paislantes, por ejlaislantes se utilipor ejemplo, se Itas, cajas de equ

Tambin sepaso de la coro'niente saber quems menos CIejemplo, cuandoza de campo elque un cierto malo sea. Precisamchispas desde unaire, que es un ai

Hay que te)siempre signific:electrones perifesto no se consirsino desordenad:

1.5.1 Conductores y aislantes

Como ya debe saberse, el causante de que pueda existir una corriente elc-trica a travs de un conductor se debe a la posibilidad de que los electrones peri-fricos de sus tomos puedan dejar el tomo debido a alguna influencia externa.y la facilidad para que esto ocurra depende de lo alejado del ncleo que estnlos electrones perifricos, ya que la fuerza de atraccin que ejerce el ncleo(carga positiva) sobre ellos disminuye con la distancia.

1.5. 1. 1 Buenos conductores

-Se puede resumir que los materiales son mejores conductores de la electri-cidad cuanto menos electrones perifricos tengan sus tomos y ms alejados seencuentren del ncleo; en general, los que tienen muchos electrones libres. Lafacilidad de movimiento de dichas partculas, ya con un cierto movimiento de-sordenado en estado normal, puede controlarse y lograr que adquieran una cir-culacin ordenada en un determinada direccin (corriente elctrica) aplicandouna fuerza externa de carcter elctrico.

1.6 FUERZA EL

tomo de cobreN atmico: 29 tomo de plataNOatmico: 47

Para que exelectrones a circida fuerza electroplicado ms adeJtema que da lugalos generadores (

En los geneproceso, se predidefinir de la sigu

Fuerza elecelectrones (dentrelctrica.

Figura 1.12. Estructuras de los tomos de cobre y plata; dan lugar a los materialesmejores conductores de la electricidad.

En general, todos los metales son ms o menos conductores de electrici-dad, siendo los mejores la plata seguida del cobre, cuya estructura atmica serepresenta en la figura 1.12.

y la tensique los electronede las lneas C01rriente elctrica.


Basndonos en un smil hidrulico, la corriente equivale al agua, que circu-la por una tubera; y el conductor de electricidad, un cable de cobre, equivale, por tanto, a la tubera por la cual circula el agua. En la figura 1.11 se representa el paso de la corriente elctric a travs de un conductor.

1.5. 1 Conductores y aislantes

Como ya debe saberse, el causante de que pueda existir una corriente elc-trica a travs de un conductor se debe a la posibilidad de que los electrones peri-fricos de sus tomos puedan dejar el tomo debido a alguna influencia externa. y la facilidad para que esto ocurra depende de lo alejado del ncleo que estn los electrones perifricos, ya que la fuerza de atraccin que ejerce el ncleo (carga positiva) sobre ellos disminuye con la distancia.

1.5. 1. 1 Buenos conductores -Se puede resumir que los materiales son mejores conductores de la electri-

cidad cuanto menos electrones perifricos tengan sus tomos y ms alejados se encuentren del ncleo; en general, los que tienen muchos electrones libres. La facilidad de movimiento de dichas partculas, ya con un cierto movimiento de-sordenado en estado normal, puede controlarse y lograr que adquieran una cir-culacin ordenada en un determinada direccin (corriente elctrica) aplicando una fuerza externa de carcter elctrico.

tomo de cobre N atmico: 29 tomo de plata N" atmico: 47

Figura 1.12. Estructuras de los tomos de cobre y plata; dan lugar a los materiales mejores conductores de la electricidad.

En general, todos los metales son ms o menos conductores de electrici-dad, siendo los mejores la plata seguida del cobre, cuya estructura atmica se representa en la figura 1.12.


Fuerzaelectromotriz(f.e.m:) .' e 13

1.5. 1.2 Aislanfes

Se entiende por materiales aislantes de la electricidad, aquellos que, debidoa su estructura atmica, no dan lugar a una circulacin ordenada de electrones yno permiten el paso prcticamente de corriente; de ah el trmino aislantes. Sonaislantes, por ejemplo, la porcelana, el aire (seco), el papel, la goma, etc. Losaislantes se utilizan precisamente para aislar, o cortar, el paso de la corriente;por ejemplo, se usan como medio de aislamiento elctrico en cables, herramien-tas, cajas de equipos, etc.

Tambin se dice que estos materiales presentan una muy alta oposicin alpaso de la corriente (adelantamos as el concepto de resistividad). Es conve-niente saber que todo aislante, en segn qu condiciones, puede llegar a hacersems o menos conductor y dejar pasar una cierta corriente. Esto ocurre, porejemplo, cuando el aire o la madera se humedecen, o bien por una elevada fuer-za de campo elctrico (que rompe la estructura atmica). Por eso, puede pasarque un cierto material sea buen aislante para ciertas aplicaciones y para otras nolo sea. Precisamente, cuando se da lo que se conoce por arco elctrico (rayos,chispas desde un cable de la buja de un coche hacia la chapa, etc.), es porque elaire, que es un aislante, se hace conductor debido a la fuerte fuerza elctrica.

Hay que tener en cuenta que aunque exista movimiento de electrones nosiempre significa que haya corriente elctrica, pues, a ciertas temperaturas, loselectrones perifricos pueden tener ya un cierto movimiento entre tomos; peroesto no se considera corriente elctrica porque no es un movimiento ordenado,sino desordenado o errtico.

'ente elc-onesperi-ia externa.que estnel ncleo

la e1ectri-alejadosselibres.Laientode-

an una cir-aplicando

1.6 FUERZA ELECTRO MOTRIZ (f.e.m.)

Para que exista una corriente elctrica se precisa que algo obligue a loselectrones a circular ordenadamente; una fuerza de origen elctrico, denomina-dafuerza electromotriz (fe.m.), cuya unidad es el voltio. Aunque esto ser ex-plicado ms adelante de forma ms detallada, adelantamos que esta fuerza ex-tema que da lugar a la aparicin de la corriente elctrica, es la que proporcionanlos generadores de electricidad: pila, alternador, clula solar, etc.

En los generadores de electricidad, como consecuencia de algn tipo deproceso, se produce en su interior lo que se llama una f.e.m., lo cual se puededefinir de la siguiente manera:

Fuerza electromotriz (j.e.m.): es la fuerza que obliga a moverse a loselectrones (dentro del generador), y que tiene por efecto producir una tensinelctrica.

ateriales

y la tensin elctrica, que se expresa en voltios, es: la fuerza que haceque los electrones se muevan ordenadamente en una cierta direccin a travsde las lneas conductoras (circuito), o sea, lo que hace que aparezca una co-rriente elctrica. Este principio se ilustra en la figura 1.13.

Fuerza electromotriz (t.e.m:) 13

7.5. 7.2 Aislantes Se entiende por materiales aislantes de la electricidad, aquellos que, debido

a su estructura atmica, no dan lugar a una circulacin ordenada de electrones y no permiten el paso prcticamente de corriente; de ah el trmino aislantes. Son aislantes, por ejemplo, la porcelana, el aire (seco), el papel, la goma, etc. Los aislantes se utilizan precisamente para aislar, o cortar, el paso de la corriente; por ejemplo, se usan como medio de aislamiento elctrico en cables, herramien-tas, cajas de equipos, etc.

Tambin se dice que estos materiales presentan una muy alta oposicin al paso de la corriente (adelantamos as el concepto de resistividad). Es conve-niente saber que todo aislante, en segn qu condiciones, puede llegar a hacerse ms o menos conductor y dejar pasar una cierta corriente. Esto ocurre, por ejemplo, cuando el aire o la madera se humedecen, o bien por una elevada fuer-za de campo elctrico (que rompe la estructura atmica). Por eso, puede pasar que un cierto material sea buen aislante para ciertas aplicaciones y para otras no lo sea. Precisamente, cuando se da lo que se conoce por arco elctrico (rayos, chispas desde un cable de la buja de un coche hacia la chapa, etc.), es porque el aire, que es un aislante, se hace conductor debido a la fuerte fuerza elctrica.

Hay que tener en cuenta que aunque exista movimiento de electrones no siempre significa que haya corriente elctrica, pues, a ciertas temperaturas, los electrones perifricos pueden tener ya un cierto movimiento entre tomos; pero esto no se considera corriente elctrica porque no es un movimiento ordenado, sino desordenado o errtico.

1.6 FUERZA ELECTROMOTRIZ (f.e.m.) Para que exista una corriente elctrica se precisa que algo obligue a los

electrones a circular ordenadamente; una fuerza de origen elctrico, denomina-dafuerza electromotriz (je.m.), cuya unidad es el voltio. Aunque esto ser ex-plicado ms adelante de forma ms detallada, adelantamos que esta fuerza ex-terna que da lugar a la aparicin de la corriente elctrica, es la que proporcionan los generadores de electricidad: pila, alternador, clula solar, etc.

En los generadores de electricidad, como consecuencia de algn tipo de proceso, se produce en su interior lo que se llama una f.e.m., lo cual se puede definir de la siguiente manera:

Fuerza electromotriz (fe.m.): es la fuerza que obliga a moverse a los electrones (dentro del generador), y que tiene por efecto producir una tensin elctrica.

y la tensin elctrica, que se expresa en voltios, es: la fuerza que hace que los electrones se muevan ordenadamente en una cierta direccin a travs de las lneas conductoras (circuito), o sea, lo que hace que aparezca una co-rriente elctrica. Este principio se ilustra en la figura 1.13.


Intensidad de eo

Corriente elctrica MiliamperiO: J

Microamperi(]

Generador deelectricidad:- Pila- Alternador- Etc.

1 Nanoamperio:Dispositivoreceptor:- Bombilla- Motor- Etc.

Tensin elctrica(V)

Las unidac(A), el rnA y elconocerlas portrata con magncaso, por ejemjde tecnologa (

En cambiecon miles de amundo tcnicoFigura 1.13. Circuito elctrico elemental.

!I

f.11./"J'

1.7 INTENSIDAD DE CORRIENTE ELCTRICAEjercicios:1. La intensidapor segundo es

La intensidad de corriente es un concepto que relaciona la cantidad de car-ga elctrica y el tiempo, y se puede definir de la siguiente manera:

.~ntensiditdeMCriCa;'EsTa6canti(Iii(f(:ieHarg'a elctrica que clfca: por iin' con-I19U~JQUwJSLunidad@!etlemno..... . .."'... J

o sea, es una medida de la cantidad de corriente. Matemticamente se ex-presa por:

Conductor (cobre)

2. La intensidacada 0,5 segun

cantidad de carga (C) q1= -----,----,-,---

tiempo (s) t

Su unidad es el amperio (A) y se dice que circula una intensidad de unamperio cuando pasa un culombio por segundo: .

3. Cantidad deel cual la inten.

Pasando 1,q 1 C

Intensidad = - = -- = 1 amperIo (A)t 1 s ")

Siguiendo con el smil hidrulico, la intensidad elctrica es similar/~l cau-dal (cantidad de agua que pasa por la tubera en la unidad de tiempo).

Unidades derivadas del amperio, utilizadas en electrnica, son las que apa-recen a continuacin:

1

La cantida

1

14 " Principios fundamentales de la electricidad

Generador de electricidad: - Pila - Alternador - Etc.

Corriente elctrica

Tensin elctrica (V)

Conductor (cobre)

Figura 1.13. Circuito elctrico elemental.

1.7 INTENSIDAD DE CORRIENTE ELCTRICA

~, ""

1 Dispositivo receptor: - Bombilla - Motor - Etc.

La intensidad de corriente es un concepto que relaciona la cantidad de car-ga elctrica y el tiempo, y se puede definir de la siguiente manera:

~~tensiiliid. el~ .. tric. d~.~' E~.~ .. canti.'ddde cargaeICti1ca-que circula ' po ... '" ~lJcto.r ~111~L"J11daM~,JlerrmQ,~~ ____ ~~~.,_~_~.@Jl

o sea, es una medida de la cantidad de corriente. Matemticamente se ex-presa por:

cantidad de carga (C) 1 = ---------

tiempo (s) q t

Su unidad es el amperio (A) y se dice que circula una intensidad de un amperio cuando pasa un culombio por segundo: .

q 1 C Intensidad = - = -- = 1 ampeno (A)

t 1 s ')

Siguiendo con el smil hidrulico, la intensidad elctrica es similar al cau-dal (cantidad de agua que pasa por la tubera en la unidad de tiempo). .

Bnidades derivadas del amperio, utilizadas en electrnica, son las que apa-recen a continuacin:


ivo

ad de car-

dad de un

Intensidadde corrienteelctrica 15

Miliamperio: mA => 1 mA = 0,001 A = 10-3 AMicroamperio: J.l => l,jA = 0,000 001 A = 10-6A

Nanoamperio: nA => 1 nA = 0,000 000 001 A = 10-9 APicoam erio: nA => 1 nA = 0,000 000 000 001 A = 1p 1kA = 1000 A

Ejercicios:1. La intensidad que circula por un conductor por el cual pasan 2 culombiospor segundo es:

q 2 C1=-=--=2 A

t 1 s

2. La intensidad que circula por un conductor por el cual pasan 4 culombioscada 0,5 segundos es:

q 4 C1=-=--=8 A

t 0,5 s

3. Cantidad de carga, culombios, que pasa por un conductor cada segundo porel cual la intensidad que circula es de 450 mA:

Pasando la intensidad de 450 mA a amperios, tenemos:

1 mA = 0,001 A => 450 mA = 450 x 0,001 = 0,45 ALa cantidad de carga, q, es:

q1=-=>q=lt

t0,45 A x 1 s 0,45 C

Intensidad de corriente elctrica 15

Miliamperio: mA => 1 mA = 0,001 A = 10-3 A

Microamperio: JlA. => 1 ..LA = 0,000 001 A = 10-6 A Nanoamperio: nA => 1 nA = 0,000 000 001 A = 10-9 A

Picoamp' !Q.; p.~ => 1 pA = 0,000 OJ}O 000 001 A = 1.9,"_ -_12=A=-_______ ......

Las unidades con que nonnalmente se trabaja en electrnica son el amperio (A), el mA y el JlA.. Con nA y pA nonnalmente no se trabaja, pero es necesario conocerlas porque en la tecnologa microelectrnica (circuitos integrados) se trata con magnitudes de corrientes muy pequeas, hasta de picoamperios. Es el caso, por ejemplo, de la corriente de entrada en los circuitos integrados digitales de tecnologa CMOS.

En cambio, en electricidad y electrnica industrial, se puede trabajar hasta con miles de amperios, lo cual se expresa por medio de la letra k, que en el mundo tcnico equivale a mil:

k = 1000 => lkA = 1000 A

Ejercicios: 1. La intensidad que circula por un conductor por el cual pasan 2 culombios por segundo es:

q 2 C / =-=--= 2 A

t 1 s

2. La intensidad que circula por un conductor por el cual pasan 4 culombios cada 0,5 segundos es:

q 4 C / = - = -- = 8 A

t 0,5 s

3. Cantidad de carga, culombios, que pasa por un conductor cada segundo por el cual la intensidad que circula es de 450 mA:

Pasando la intensidad de 450 mA a amperios, tenemos:

1 mA = 0,001 A => 450 mA = 450 x 0,001 = 0,45 A

La cantidad de carga, q, es:

q /= - =>q = / t

t 0,45 A x 1 s 0,45 C


16 Principios fundamentales de la electricidadElementosbsic

1.8 TENSiN ELCTRICAtensin de 9 V,diferencia de pe

Desde un punto de vista prctico, se puede definir de la siguiente manera:

Tensin elctrica: es la fuerza que da lugar a que los electrones se mue-van ordenadamente a travs de un conductor, producindose as una corrienteelctrica.

1.9 ELEMENT

",

Siguiendo con el smil hidrulico, se puede decir que la tensin elctrica esequivalente a la fuerza de presin que genera una bomba para hacer que el agua.circule por las tuberas.

Esta fuerza elctrica, tensin, es lo que produce todo generador de electri-cidad (pila, alternador, clula solar, etc.).

En los generadores de electricidad aparece el trmino fuerza electromotriz(fe.m.), que es el proceso energtico que se origina en el interior del generador,y que da lugar a que se produzca la tensin en los terminales de salida. As,f.e.m. es equivalente a la energa que se origina en el interior de una bomba hi-drulica, y que da lugar a la presin. En el caso, por ejemplo, de una pila, laf.e.m. es el proceso qumico interno que da lugar a la energa que pone en mo-vimiento a los electrones, y su efecto produce la tensin de salida.

La unidad de tensin elctrica es el voltio; por tanto, el voltaje es la medi-da de la tensin elctrica. As, se dice que la tensin de la batera del coche esde 12 V, la tensin de la red elctrica domstica es de 220 V, una pila de 1,5 V,etctera.

Visto de una forma ms tcnica, aparecen otros trminos relacionados quese denominan potencial elctrico y diferencia de potencial.

Se defme por potencial elctrico en un punto, al trabajo necesario paratrasladar la unidad de carga elctrica positiva desde el infinito hasta dicho pun-to; es un trabajo por unidad de carga, que se mide en voltios (V). La unidadvoltio resulta ser, pues, el trabajo de 1 julio (J) sobre la carga de 1 culombio(C); se tiene el potencial de un voltio si se realiza el trabajo de 1 julio para tras-ladar la carga de 1 culombio: 1 V = 1 J/l C.

Se define por diferencia de potencial entre dos puntos, al trabajo necesariopara que la unidad de carga se traslade de un punto a otro, y tambin se mideen voltios. As, se tiene 1 voltio si se realiza el trabajo de 1 julio para que lacarga de 1 culombio se mueva de un punto a otro: .

Todos loscos, de maneradispositivo de ste elctrica se rgenerador, la C(otro punto, y oetc.), debe retorcorte, en algnrriente y qu, pc

1.9.1 Sentidc

El circuitose basa en un gttrica. Al cerrarsgn elemento CItravs de la lne:

Sentido!+

al

1 julio1 V = '-1-cu""'l'-o-m--'b--'i0-

Figura 1.

1.9.1.1 SentioEl trmino diferencia de potencial es muy utilizado en la prctica, y bajo

un principio de comprensin sencillo, como ya se ver.En resumen, los trminos tensin, potencial y diferencia de potencial se

expresan mediante la unidad voltio, y a menudo simplemente como voltaje. Porejemplo, respecto a una pila de 9 V se puede decir: que la pila proporciona una

Fsicamente(-) a positivo (+rador y se dirigegenerador (por (


1.8 TENSiN ELCTRICA Desde un punto de vista prctico, se puede definir de la siguiente manera:

Tensin elctrica: es la fuerza que da lugar a que los electrones se mue-van ordenadamente a travs de un conductor, producindose as una corriente elctrica.

Siguiendo con el smil hidrulico, se puede decir que la tensin elctrica es equivalente a la fuerza de presin que genera una bomba para hacer que el agua. circule por las tuberas.

Esta fuerza elctrica, tensin, es lo que produce todo generador de electri-cidad (pila, alternador, clula solar, etc.).

En los generadores de electricidad aparece el trmino fuerza electromotriz (je.m.), que es el proceso energtico que se origina en el interior del generador, y que da lugar a que se produzca la tensin en los terminales de salida. As, f.e.m. es equivalente a la energa que se origina en el interior de una bomba hi-drulica, y que da lugar a la presin. En el caso, por ejemplo, de una pila, la f.e.m. es el proceso qumico interno que da lugar a la energa que pone en mo-vimiento a los electrones, y su efecto produce la tensin de salida.

La unidad de tensin elctrica es el voltio; por tanto, el voltaje es la medi-da de la tensin elctrica. As, se dice que la tensin de la batera del coche es de 12 V, la tensin de la red elctrica domstica es de 220 V, una pila de 1,5 V, etctera.

Visto de una forma ms tcnica, aparecen otros trminos relacionados que se denominan potencial elctrico y diferencia de potencial.

Se define por potencial elctrico en un punto, al trabajo necesario para trasladar la unidad de carga elctrica positiva desde el infinito hasta dicho pun-to; es un trabajo por unidad de carga, que se mide en voltios (V). La unidad voltio resulta ser, pues, el trabajo de 1 julio (J) sobre la carga de 1 culombio (C); se tiene el potencial de un voltio si se realiza el trabajo de 1 julio para tras-ladar la carga de 1 culombio: 1 V = 1 J/l C.

Se define por diferencia de potencial entre dos puntos, al trabajo necesario para que la unidad de Clrga se traslade de un punto a otro, y tambin se mide en voltios. As, se tiene 1 voltio si se realiza el trabajo de 1 julio para que la carga de 1 culombio se muev de un punto a otro: '

1 julio 1 V =

anera:

electri-

omotrizerador,da. As,mba hi-pila, laen mo-

a medi-eche es1,5 V,

cesarioe mideque la

y bajo

Elementosbsicosde un circuitoelctrico 17

tensin de 9 V, que entre sus terminales [positivo (+) y negativo (-)] aparece ladiferencia de potencial de 9 V o, simplemente, que genera un voltaje de 9 V.

1.9 ElEMENTOS BSICOS DE UN CIRCUITO ELCTRICO

Todos los circuitos elctricos disponen de una serie de componentes bsi-cos, de manera que se obtenga el paso de una corriente elctrica a travs deldispositivo de salida que se necesite. Para que exista una circulacin de corrien-te elctrica se necesita que el circuito est cerrado. O sea, desde un punto delgenerador, la corriente debe entrar por la lnea de conduccin, cables, salir porotro punto, y despus d

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