1 Fundamentos básicos
Constitución de la materia
La materia es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio,
y todo el conjunto de las diferentes materias constituye la naturaleza. Son
materias, el agua la madera, la porcelana, el cobre, el hiero, etc.
Si tomamos un trozo de materia y la vamos dividiendo en
trozos cada vez mas pequeños llegaremos a una minúscula partícula que ya no se
podrá dividir mas;
En estas condiciones esta partícula constituye la “molécula”.
La molécula goza de las mismas propiedades físicas y químicas de la materia de
que proviene; así por ejemplo, una molécula de agua será inodora, insípida e
incolora, es decir, posee las mismas propiedades que el agua.
Hay tantas clases de moléculas como tipos de materias, se
pueden encontrar en la naturaleza o bien se pueden formar atreves de medios
químicos.
Las moléculas a su vez están formadas por agrupaciones fijas
y determinadas por una partículas todavía mas pequeñas denominadas “átomos”.
Si de moléculas se pueden tener millares, de átomos existe
un numero restringido, aproximadamente un centenar. Así por ejemplo, una molécula
de agua esta formada por dos átomos de hidrogeno y un átomo de oxigeno.
El átomo esta formado por diferentes partículas siendo las
mas importantes los neutrones, los protones y los electrones. Los neutrones y
los protones constituyen el núcleo del átomo y los electrones giran en torno al
núcleo. De una manera aproximada se puede considerar al átomo como un sistema
solar en miniatura. En la figura 1-1 se ha representado la constitución básica
del átomo mas sencillo que se encuentra en la naturaleza, siendo este el de
hidrogeno, estando formado por un electrón y un protón. Por termino general la
mayoría de los átomos poseen varias capas de electrones, siendo la ultima capa
o externa la que determina el comportamiento del material frente a la
“electricidad”, es decir, especifica si el mismo es conductor o aislante.
Electrones
Todos los átomos se hallan inicial mente en estado neutro y
en caso de que hayan perdido el equilibrio, buscan por todos los medios la
manera de obtenerlo nuevamente. Los átomos que poseen un exceso de electrones
serán por tanto átomos cargados “negativamente” y por el contrario los átomos
que hayan perdido electrones serán átomos cargados “positivamente”
Si suponemos que tenemos un átomo con un exceso de
electrones y otro átomo que le faltan electrones, y juntamos ambos, se
producirá entonces una circulación de electrones del átomo que los tiene en
exceso al que los tiene en defecto y de este modo ambos quedaran en completo
equilibrio.
La circulación de electrones se conoce por “corriente
eléctrica”.
La corriente eléctrica marcha por lo tanto del negativo (-)
al positivo (+), como puede apreciarse en la figura 1-2. Por convencionalismo
se dice que la corriente del positivo al negativo, ellos es debido a que las
primera leyes que se trataron de la electricidad considerando esta marcha, y
para evitar cambiarlas, se sigue utilizando la circulación de positivo a
negativo.
Corriente eléctrica
La corriente eléctrica es una circulación de electrones de
un cuerpo que los tiene en exceso a otro que los tiene en defecto. Sin embargo
la circulación de la corriente eléctrica únicamente es posible si existe “un
medio o camino” capaz de permitir el paso de electrones.
Los cuerpos que permiten el paso de los electrones, son
“conductores” y los cuerpos que no lo permiten se denominan “aislantes”. Son
cuerpos conductores la mayoría de metales, siendo el cobre el mas utilizado en
electrotecnia tanto por sus optimas condiciones frente a la electricidad como
por su coste bastante reducido. Entre los materiales aislantes. Cabe destacar
la porcelana, la madera seca, las materias plásticas, la mica, etc.
Los electrones periféricos de los átomos de cuerpos
conductores, son poco atraídos por el núcleo, ello permite que cuando el
conductor es atravesado por una corriente eléctrica, los electrones pueden
desplazarse con facilidad. De una manera muy intuitiva podemos suponer el
conductor como un tubo y a los electrones periféricos como bolas del mismo
diámetro y situadas en el interior del tubo, como puede apreciarse en la figura
1-3. En estas condiciones, si queremos hacer penetrar una bola dentro del tubo,
lo podremos realizar e inmediatamente saldrá otra bola por la parte del tubo.
En los cuerpos aislantes los electrones periféricos se hallan fuertemente
atraídos por el núcleo, ello motiva que cuando se ponga en contacto con una
corriente eléctrica los electrones de la misma no podrán atravesar el material
ya que se hallaran fuertemente atraídos al núcleo. Considerando el símil
anterior seria como si las bolas, los electrones, se hallaran pegados al tubo,
con lo cual no se podrá hacer penetrar ninguna bola mas en el interior del
mismo.
Cantidad de electricidad
Como ya se ha dicho anteriormente, los electrones van del
negativo al positivo y para saber que cantidad de electricidad ha circulado
deberíamos contar los electrones. Los electrones son de un tamaño minúsculo y
en consecuencia seria considerable importante el numero de electrones que
tendríamos que contar; para evitar este inconveniente se utiliza una unidad
mayor.
La unidad de cantidad de electricidad es el CULOMBIO
(abreviadamente C), que es igual a 6280 billones de electrones.
Utilizando un símil hidráulico podríamos que un litro de
agua representaría un culombio y las gotitas serian los electrones.
Intensidad de corriente
Por una autopista pueden circular pocos o muchos
automóviles, ahora bien, el numero de automóviles no nos indicara si la misma
esta poco o muy frecuencia da. Una idea mas exacta será dada por el numero de
automóviles que circulan en un tiempo determinado, por ejemplo, en una hora o
en un minuto.
Idéntico proceso se verifica con la corriente eléctrica,
puesto que la cantidad de corriente que atraviesa un conductor no nos
especifica si es el mismo esta poco o muy frecuentado de corriente eléctrica.
Para tal fin se define a la intensidad de corriente como a la cantidad de
electricidad que atraviesa al conductor en un tiempo determinado, de una manera
analítica se tendrá:
Siendo I el simbolismo de la intensidad de corriente, Q el
simbolismo de la cantidad de electricidad y T el simbolismo del tiempo.
Utilizado como cantidad de electricidad un culombio y como tiempo un segundo,
quedara definida la intensidad de electricidad siendo esta el AMPERIO
(abreviadamente A). De este modo se podrá establece:
En telefonía se utilizan dos submúltiplos, el miliamperio y
el microamperio, existiendo la siguiente relación:
En corrientes frecuentes se utiliza el kiloamperio (KA) que
es mil veces mayor que el amperio ( 1 KA=10*3).
Para expresar cantidades de electricidad de gran magnitud se
recurre a utilizar un múltiplo de culombio, siendo este el AMPERIO-HORA
(abreviadamente Ah), El cual equivale a 3600 culombios.
Tensión eléctrica
Para que se produzca una corriente electrónica entre dos
materiales es preciso que un material se halle con un exceso de electrones y el
otro con un defecto de electrones. Esto significa que si tomamos un nivel de
referencia, el que posea un exceso de electrones, tendrá un valor por encima de
este nivel y el que tenga un defecto de electrones se hallara por debajo del
mismo.
Si ambos valores se hallan en el mismo nivel no existirá
ninguna circulación de corriente, puesto que no hay diferencia de electrones
entre los dos materiales. La circulación únicamente será posible para el caso
que exista una diferencia de niveles, esta diferencia de niveles se conoce por
“tensión eléctrica”
La tensión eléctrica la podemos asimilar de una manera
hidráulica como a la altura de un deposito. De este modo circulara mayor
corriente de agua, para una misma sección de tubería, para el caso de que el
deposito se halle a mayor altura. Idénticamente ocurrirá con la corriente,
puesto que cuando mayor sea la tensión mas corriente circulara por el
conductor.
Como unidad de tensión eléctrica se utiliza el VOLTIO
(Abreviadamente V), que se define como a la tensión que aplicada a la cantidad
de electricidad de un culombio y es capaz de reproducir un trabajo de un julio,
es decir:
1 julio = 1 voltio x 1 colombio
En la practica se utiliza un múltiplo (kilovoltio) y un
submúltiplo (milivoltio), existiendo la siguiente relación:
1 V = 10-3 KV =10-3 mV
De una manera general se podrá establecer:
T= U(Q)
Siendo T el simbolismo del trabajo, U el simbolismo de la
tensión y Q el simbolismo de la carga eléctrica.
Los generadores eléctricos son los aparatos encargados de
producir una tensión, pero ocurre que en un punto generan un exceso de
electrones y en otro punto un defecto de ellos. En estas condiciones, si entre
ambos puntos intercalamos un conductor se origina una corriente eléctrica.
Un generador muy sencillo es la pila electrónica, ya que
produce electricidad por transformación química de los materiales
constitucionales. La pila eléctrica tiene dos puntos a diferente nivel, es
decir, existe tensión entre ambos. El punto que tiene un exceso de electrones constituirá
el “borne negativo” y el que tiene un defecto de electrones constituirá el
“borne positivo”.
Gráficamente, la pila se representa por dos segmentos
paralelos de diferente longitud y grosor. El borne positivo se representa por
un segmento delgado y el negativo por un segmento mas corto y ancho. Los conductores
eléctricos se representan gráficamente por una línea de trazo fino.
La ley de OHM
El físico alemán Dr. George Simón Ohm (1787-1854) Dedujo
experimentalmente una de las mas importantes leyes de la electricidad, la cual
se conoce por su nombre.
La ley de ohm dice:
“En un conductor la reacción entre la tensión y la corriente
es una cantidad constante”
Esta constante, característica para cada conductor, se
denomina “resistencia”. De este modo se podrá establecer:
R= U/I
Siendo R el simbolismo de la resistencia, U el simbolismo de
la tensión e I el simbolismo de la intensidad de la corriente.
Tomando como tensión un voltio y como intensidad
de corriente un amperio quedara definida la unidad de resistencia siendo esta
el OHMIO (abreviadamente Ω).
Se tendrá:
En la practica se utilizan dos múltiplos, siendo estos el
kiloohmio y el megaohmio, existiendo la siguiente relación:
La resistencia electica la podemos
asimilar al razonamiento que encuentra el agua al circular por una tubería,
debido a deformaciones o imperfecciones del tubo; cuanto mayor sea el
rozamiento, mas difícil será hacerla circular. En electricidad ocurre que
cuanto mayor sea la resistencia, menos corriente circulara, para un mismo valor
de tensión.
Los elementos capaces de producir una
resistencia al paso de la corriente se conocen por “resistencias” o también por
“resistores”, y se representan gráficamente por una línea quebrada o un
rectángulo.
En la practica la resistencia se
realizan por gran numero de espiras de un material poco conductor arrolladas
sobre un cilindro aislante. Como material poco conductor se suelen emplear
aleaciones de hierro, tales como el nicrom, kantal, etc.
D.D.P. y F.E.M.
Entre los bornes de una pila existe una
tensión, y si se cierran sus bornes a través de una resistencia, circulara una
corriente. Esta corriente originara en los bornes de la resistencia una caída
de tensión determinable por la ley de Ohm, la cual se le conoce por “diferencia
de potencial” (abreviadamente d.d.p.)
Las pilas poseen una resistencia
interna, la cual motiva que cuando circules una corriente se produzca una
d.d.p. que se contrarreste con la tensión de la pila. La tensión en vacío de
una pila se conoce por “fuerza electromotriz” (abreviadamente f.e.m.) y la
tensión en bornes en la misma, para el caso de que no se halle en vacío valdrá:
U=E-I(Ri)
Siendo U la tensión en bornes, E la
f.e.m., I la corriente que circules por la misma, y Ri la resistencia interna.
Potencia Eléctrica.
Se entiende por potencia la cantidad de trabajo que se produce en un tiempo determinado. El trabajo en electricidad es el producto de la tensión por la cantidad de electricidad y en consecuencia la potencia eléctrica valdrá:
P= T/t=U(Q)/t
pero Q/t=I, con lo cual:
P=U(I)
Utilizando como unidad de tensión el voltio y como intensidad el amperio, se tendrá de potencia siendo esta el VATIO (abreviadamente W), es decir:
1W=1V(1A)
También se utiliza un múltiplo (kilovatio) y su submúltiplo (mW), existiendo la relación siguiente:
P= T/t=U(Q)/t
pero Q/t=I, con lo cual:
P=U(I)
Utilizando como unidad de tensión el voltio y como intensidad el amperio, se tendrá de potencia siendo esta el VATIO (abreviadamente W), es decir:
1W=1V(1A)
También se utiliza un múltiplo (kilovatio) y su submúltiplo (mW), existiendo la relación siguiente:
1W=10(-3) KW=10(3)mW
Por medio de la ley de Ohm se sabe que U=R(I), sustituyendo este valor en la fórmula de la potencia, se tendrá:
P=R[I(2)]
Esta formula nos especifica la potencia que se disipa en una resistencia al circular por la misma una corriente.
RESISTENCIA ELÉTRICA
Como se sabe existen conductores y aislantes. Pero inclusive en los conductores la corriente encuentra una cierta dificultad en recorrerlo, es decir, poseen una "resistencia eléctrica".
Considerando que se tiene un conductor cilíndrico y homogéneo, se verificará que su resistencia será directamente proporcional a su longitud, puesto que cuanto mayor sea la longitud más dificultad encontrarán los electrones en atravesarlo. Por otra parte, la sección del conductor es inversamente proporcional a la sección del mismo.
Por ultimo, puesto que todos los conductores no poseen igual estructura atómica se verificará que la resistencia se un conductor será proporcional a una constante característica de cada material. La constante se conoce por "resistencia específica" o "resistividad" (abreviadamente P).
De una manera general, la resistencia de un conductor vendrá determinada por la fórmula siguiente:
R=P(I/S)
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