El Electrón y la Electrónica

Puesto que la corriente eléctrica es el flujo o movimiento de electrones dentro de un material, es necesario investigar la naturaleza y comportamiento de estas partículas elementales.

Los electrones, de donde se deriva la palabra Electrónica, son unas partículas muy pequeñas que se encuentran dentro de la materia.

Todo el universo está echo de Materia, algo que tiene masa y ocupa espacio. La materia puede estar en tres estados: sólido, líquido y gaseoso.

Si dividimos un pedazo de materia en particulas cada vez más pequeñas, llegamos hasta un punto en que no se puede dividir más si queremos que siga siendo la misma sustancia. Estas particulas reciben el nombre de moléculas.Si dividimos o descomponemos las moléculas encontramos que están formadas por una combinación de elementos, las cuales son sustancias que se encuentran en forma natural en el universo, como el hidrógeno, carbón, oxígeno, plata, oro, hierro, etc.

Las diferentes combinaciones de elementos producen toda clase de sustancias,como el agua, que es la combinación de oxígeno e hidrógeno, la sal, que es la combinación de cloro y sodio, y muchas otras mas que conocemos.

Cada elemento está formado por átomos.Cada átomo está formado por un nucleo central lleno de partículas de carga positiva llamadas protones (+) y de neutrones que no tienen carga eléctrica.Rodeando el núcleo en órbitas estan las partículas de carga negativa llamadas electrones (-). Un átomo podría compararse con nuestro sistema planetario donde el núcleo sería el sol y los electrones serían los planetas.

Todos los átomos están constituidos en forma similar, independientemente del tipo de elemento a que pertenecen, ya sea hidrógeno o uranio. La única diferencia importante es el número de protones y electrones que ellos tienen y la distribución de los electrones en las diferentes órbitas.

La diferencia en esta organización de protones y electrones, que recibe el nombre de estructura atómica, es la que determina las características físicas de

cada elemento de la naturaleza. La estructura atómica de los elementos se ha organizado en una tabla llamada Tabla periódica de los elementos.

Corriente electrónica

Debido a la agitación térmica normal o al calor externo, algunos electrones de la última órbita de un átomo se liberan. Ellos permanecen libres sólo una fracción de segundo, pero, en un momento dado, hay millones o trillones de electrones libres en una sustancia particular.

Si estos electrones se mueven en una misma dirección, tenemos lo que se conoce como flujo de corriente o corriente electrónica.

La corriente eléctrica no se puede ver, pero se puede comprobar su existencia por medio de los efectos que produce al circular por un circuito o al convertirse en otra forma de energía como calor, movimiento, sonido, luz, etc.

Materiales aislantes y conductores

Algunos materiales tienen muchos más electrones libres que otros. Los que tienen muchos electrones libres permiten que se establezca una corriente eléctrica o flujo de electrones a través de ellos y reciben el nombre de conductores. Los principales materiales conductores son: el oro, la plata, el cobre, el aluminio, el latón, el zinc, el hierro, el agua y en general todos los metales.

Los materiales que tienen pocos electrones libres no permiten el flujo de electrones a través de ellos y reciben el nombre de aislantes. Los mejores aislantes son el vidrio, la mica, la baquelita, el caucho, el PVC, el teflón, etc.

Existen unos elementos que ocupan una posición intermedia entre los conductores y aislantes y que se han denominado semiconductores.

Los más importantes para la electrónica han sido el Silicio y el Germanio ya que tienen características muy especiales que se han aprovechado para la fabricación de los componentes de la familia de los semiconductores.

Electricidad estática

Como ya se había mencionado, en un momento dado hay trillones de electrones libres en un material como el cobre (cualquier metal tiene incontables electrones libres). Sin embargo, estos electrones están "bailando por ahí" en todas las direcciones y no forman un flujo de corriente. Este tipo de electricidad recibe el nombre de electricidad estática. Esta electricidad es la que se manifiesta cuando frotamos un peine o cualquier objeto de plástico similar y éste puede atraer pequeñas partículas de papel; o aquella que sale de nuestro cuerpo cuando caminamos por una alfombra o tapete sintético y tocamos la perilla de una puerta y nos produce un choque eléctrico.

Para que exista corriente eléctrica, los electrones libres se deben mover en una dirección. Para hacerlos mover o circular es necesario tener algún tipo de fuerza.

Antes de conocer cual es la fuerza que se necesita, debemos conocer una de las leyes fundamentales de la electricidad:

Cargas iguales se repelen o rechazanCargas diferentes se atraen

Esto significa que los protones se rechazan entre si, y que los electrones también se rechazan entre si. Pero cuando un protón se acerca a un electrón, se atraen.

Usando este principio, podemos establecer una diferencia de cargas o fuerza que produce el movimiento de electrones, esta fuerza se ha llamado fuerza electromotriz (FEM), tensión, diferencia de potencial, o voltaje, que es el término más común. El potencial o voltaje se indica con la letra V o la E y su unidad de medida es el Voltio.

Cuando una corriente eléctrica fluye en una sola dirección se llama corriente directa (CD) o Corriente continua (CC).La cantidad de corriente eléctrica que circula por un conductor también se denomina Intensidad de corriente, se representa con la letra I, y nos indica la cantidad de electrones que circula por un punto en determinado tiempo. Esta corriente puede medirse y su unidad de medida se ha llamado Amperio. Un amperio de corriente equivale al paso de 6'250'000'000'000'000.000 electrones por un punto durante un segundo.

RESISTENCIA

Hemos visto como el movimiento de los electrones libres en una dirección constituye un flujo de corriente y una diferencia de potencial, hace que circule esa corriente. Habrá sin embargo, en cada circuito, una cierta oposición al flujo de corriente. Se puede pensar como una fricción que existe en cada sistema.Para comprender mejor el fenómeno de la corriente eléctrica, el voltaje y la resistencia, se puede hacer una analogía entre un circuito eléctrico y un sistema hidráulico simple.

En un circuito hidráulico, la cantidad de agua o tamaño del tanque es equivalente al voltaje, la posición de la llave que deja pasar más o menos agua, ejerce la misma función que la resistencia, y el chorro o cantidad de agua representa la corriente.

Las formas más comunes de producir voltaje son: Para corriente continua, las baterías o pilas y las fuentes de poder, y para la corriente alterna, los generadores eléctricos y los circuitos osciladores.

Circuitos eléctricos y electrónicos

Todos los circuitos eléctricos y electrónicos, sin importar su complejidad, tienen tres factores asociados a ellos:

Corriente, Voltaje y Resistencia

La corriente o electricidad, circula por los conductores; el voltaje permite que haya corriente y la resistencia se opone a esta corriente.

Un circuito eléctrico es un camino completo por donde puede circular la corriente eléctrica

Se dice que in circuito está abierto cuando hay una interrupción que no permite el paso de la corriente y que un circuito está cerrado cuando circula la corriente por él.

Cuando se unen los dos terminales de la fuente de voltaje se produce un cortocircuito, y si el potencial o voltaje es alto, se pueden fundir los conductores.

Un circuito electrónico es la unión de varios componentes electrónicos como fuentes de voltaje, resistencias, condensadores, bobinas, semiconductores, lámparas, suiches, etc., agrupados de una manera ordenada para realizar un trabajo específico.

Un circuito puede ser tan sencillo como una pila conectada a una pequeña lámpara o tan complicado como un computador digital controlando un robot con miles de circuitos integrados, censores, motores, etc.

Los principales circuitos electrónicos son:

Fuentes de poder o de alimentación Reguladores de voltaje Osciladores Amplificadores de baja y alta frecuencia Circuitos de control manual y automático de procesos Circuitos con amplificadores operacionales Temporizadores Circuitos electrónicos digitales Circuitos con microprocesadores

Circuito en serie

Se dice que los componentes de un circuito están en Serie cuando la corriente circula primero por un componente, luego por el siguiente y así sucesivamente hasta recorrer el camino completo.

Circuito en paralelo

Se dice que un circuito está en paralelo cuando la corriente circula simultáneamente por todos sus componentes, ya que los terminales de cada uno están conectados uno a cada polo de la fuente de voltaje o alimentación.Un ejemplo típico de conexión en paralelo es la que tenemos en todas nuestras casas cuando conectamos los diferentes aparatos eléctricos y electrónicos a los tomacorrientes. Internamente todos quedan conectados a los mismos cables de entrada.

Circuito en serie - paralelo

Se pueden formar circuitos serie-paralelo que son la combinación de los dos tipos básicos anteriores. Este caso se utiliza más en los circuitos electrónicos reales.

Los componentes básicos utilizados en electrónica, como las resistencias, los condensadores, las bobinas, los diodos, los suiches, las lámparas, las pilas, etc., se pueden conectar en serie, en paralelo o en serie-paralelo, según se requiera para modificar sus características o para establecer el funcionamiento del circuito.

Circuitos prácticos

Los componentes electrónicos por si solos no tienen ninguna aplicación práctica. Estos se deben combinar o unir entre sí para formar circuitos que trabajen y cumplan una función determinada.

Circuitos RC

La combinación más simple de componentes diferentes la forman las resistencias y los condensadores y recibe el nombre de Circuito RC. Se utilizan en temporizaciones y filtros de baja frecuencia.

Circuitos RL

Los circuitos RL están formados por bobinas y resistencias. Se utilizan en filtros de alta frecuencia.

Circuitos RLC

Son circuitos que se forman por la combinación de resistencias, bobinas y condensadores y se utilizan principalmente en los aparatos de radio, televisión, transmisión, etc. Pueden estar en serie, en paralelo, o en serie-paralelo.

Los circuitos electrónicos, se utilizan principalmente para regular, transmitir, almacenar, detectar, medir o controlar alguna función o fenómeno físico, como la luz, las imágenes, la información, etc. La aplicación o utilización de un aparato electrónico, determina su complejidad y por lo tanto los circuitos y componentes que lo deben conformar.

LEY DE OHM

La corriente fluye por un circuito eléctrico siguiendo varias leyes definidas. La ley básica del flujo de la corriente es la ley de Ohm, así llamada en honor a su descubridor, el físico alemán Georg Ohm. Según la ley de Ohm, la cantidad de corriente que fluye por un circuito formado por resistencias puras es directamente proporcional a la fuerza electromotriz aplicada al circuito, e inversamente proporcional a la resistencia total del circuito. Esta ley suele expresarse mediante la fórmula I = V/R, siendo I la intensidad de corriente en amperios, V la fuerza electromotriz en voltios y R la resistencia en ohmios. La ley de Ohm se aplica a todos los circuitos eléctricos, tanto a los de corriente continua (CC) como a los de corriente alterna (CA), aunque para el análisis de circuitos complejos y circuitos de CA deben emplearse principios adicionales que incluyen inductancias y capacitancias.

Un circuito en serie es aquél en que los dispositivos o elementos del circuito están dispuestos de tal manera que la totalidad de la corriente pasa a través de cada elemento sin división ni derivación en circuitos paralelos.

Cuando en un circuito hay dos o más resistencias en serie, la resistencia total se calcula sumando los valores de dichas resistencias. Si las resistencias están en paralelo, el valor total de la resistencia del circuito se obtiene mediante la fórmula

En un circuito en paralelo los dispositivos eléctricos, por ejemplo las lámparas incandescentes o las celdas de una batería, están dispuestos de manera que todos los polos, electrodos y terminales positivos (+) se unen en un único conductor, y todos los negativos (-) en otro, de forma que cada unidad se encuentra, en realidad, en una derivación paralela. El valor de dos resistencias iguales en paralelo es igual a la mitad del valor de las resistencias componentes y, en cada caso, el valor de las resistencias en paralelo es menor que el valor de la más pequeña de cada una de las resistencias implicadas. En los circuitos de CA, o circuitos de corrientes variables, deben considerarse otros componentes del circuito además de la resistencia.

LEYES DE KIRCHOFF

Si un circuito tiene un número de derivaciones interconectadas, es necesario aplicar otras dos leyes para obtener el flujo de corriente que recorre las distintas derivaciones. Estas leyes, descubiertas por el físico alemán Gustav Robert Kirchhoff, son conocidas como las leyes de Kirchhoff. La primera, la ley de los nudos, enuncia que en cualquier unión en un circuito a través del cual fluye una corriente constante, la suma de las intensidades que llegan a un nudo es igual a la suma de las intensidades que salen del mismo. La segunda ley, la ley de las mallas afirma que, comenzando por cualquier punto de una red y siguiendo cualquier trayecto cerrado de vuelta al punto inicial, la suma neta de las fuerzas electromotrices halladas será igual a la suma neta de los productos de las resistencias halladas y de las intensidades que fluyen a través de ellas. Esta segunda ley es sencillamente una ampliación de la ley de Ohm.

TEOREMA DE THEVENIN

Hasta aquí hemos presentados un numero de técnicas para el análisis de circuito. En este punto añadiremos dos teoremas a nuestra colección de herramientas que probaran ser extremadamente útiles. Los teoremas se llaman así por sus autores, M. L. Thévenin, un ingeniero francés, y E. L. Norton, un científico que trabajara en los laboratorios telefónicos Bell.

El teorema de Thévenin nos dice que podemos reemplazar toda la red, excluyendo la carga, por un circuito equivalente que contenga solo un fuente de voltaje independiente en serie con una resistencia de tal forma que la relación corriente—voltaje en la carga se conserve sin cambios.

TEOREMA DE NORTON

El teorema de Norton es idéntico al afirmación anterior con la excepción de que el circuito equivalente es una fuente de corriente independiente en paralelo con una resistencia.

Note que este es un resultado muy importante. Nos dice que si examinamos cualquier red desde un par de terminales, sabemos que con respecto a esas terminales toda la red es equivalente a un circuito simple consistente a una fuente de voltaje independiente en serie con una resistencia o una fuente de corriente independiente en paralelo con una resistencia.