Conceptos Básicos De Electricidad

• Introducción

Aquellos estudiantes que se inician en el aprendizaje de electricidad básica, necesitan poseer algunos conceptos básicos antes de comenzar los estudios. Esto les ayudará a familiarizarse con los conceptos y teoremas relativos a la electricidad básica, para luego comprender bien todo el concepto.
El propósito principal de esta sección es presentar algunas ideas concretas necesarias para el principiante, las cuales son:

• Unidades basadas en el Sistema SI
• Notación científica y de ingeniería
• Diagramas de circuitos
• Teoría atómica
• Carga eléctrica

 

En las cuatro siguientes secciones se presentarán estos conceptos.

 

 

• Contenido de la Unidad

• Unidades Basadas en el Sistema Internacional de Medidas (SI)

 

Las medidas basadas en el Sistema SI se definen en términos del Sistema MKS y en la unidad de carga del electrón. Estas unidades se pueden dividir en 5 áreas:

• Cantidades comunes, como se muestran en la Tabla 0.1
• Unidades Básicas, como se muestran en la Tabla 0.2
• Unidades derivadas, como se muestran en la Tabla 0.3
• Conversión de unidades, como se muestra en la Tabla 0.4
• Prefijos SI, como se muestran en la Tabla 0.5

 

Tabla 0.1 - Algunas Cantidades de Uso Corriente

  

Tabla 0.2 - Unidades Básicas

Magnitud	Símbolo	Nombre	Abreviatura
Longitud	l	Metro	m
Masa	m	Kilogramo	kg
Tiempo	t	Segundo	s
Corriente	I, i	Amperio	A
Temperatura	T	Kelvin	K

 

Tabla 0.3 - Unidades Derivadas

Magnitud	Símbolo	Unidad	Abreviatura
Fuerza	F	Newton	N
Energía	W	Julio	J
Potencia	P, p	Watt	W
Voltaje	V, v, E, e	Voltio	V
Carga	Q, q	Coulombio	C
Resistencia	R	Ohmio	W
Capacitancia	C	Faradio	F
Inductancia	L	Henrio	H
Frecuencia	F	Hertzio	Hz
Flujo magnético	f	Weber	Wb
Campo magnético	B	Teslo	T

 

 

 

Tabla 0.4 Conversión de Unidades

Longitud   Fuerza Potencia Energía

Pulgada Pie Milla Libra (lb) hp kWh Pie-libra

0.0245 0.3048 1.609 4.448 7.46 3.60 x 106 1.356

Metro (m) Metro (m) Kilómetro (km) Newton (N) Watt (W) Julio (J) Julio (J)

Tabla 0.5 -  Prefijos SI

Potencias de diez	Prefijo	Símbolo
1012 109 106 103 10-3 10-6 10-9 10-12	Tera Giga Mega Kilo Mili Micro Nano pico	T G M k m m n p

•  Notación Científica y de Ingeniería

Si movemos el punto decimal de las potencias de diez hacia la izquierda y a la izquierda del punto decimal queda solamente un dígito, a esta expresión la llamamos Notación Científica. Por ejemplo, 2.33 x 105 está en notación científica, pero 22.2 x 104 y 0.33 x 106 no lo están. Otra forma que nos interesa para expresar números es la Notación de Ingeniería. En este sistema, se utilizan prefijos para expresar potencias de diez fijas, como se ve en la Tabla 0.5. De esta forma, 0.033 A (Amperios) se puede expresar como 33 x 10-3 A, aunque queda mejor expresada como 33 mA. En este caso utilizamos "mili" en lugar de 10-3.

Ejemplo 0.1 Use símbolos de prefijos para expresar los siguientes valores:
(1) 10 x 106 Voltios; (2) 0.1 x 10-3 Watts; (3) 250 x 10-7 segundos

Respuesta:   (1) 10 x 1 x 106 V = 10 x 1 MV = 10 MV

• 0.1 x 10-3 W = 0.1 miliwatts = 0.1 mW
• 250 x 10-7 s = 25 x 10-6 = 25 microsegundos = 25 ms    

• Diagrama de Circuito

Un circuito eléctrico generalmente está compuesto de una batería, un interruptor, capacitor, resistencia y los alambres de conexión. Se pueden utilizar los diagramas para describir en el papel el circuito. Hay 3 maneras:

• Diagrama de Bloques

En el diagrama de bloques se usan simples bloques para describir el circuito o los sistemas. Cada bloque significa una porción del sistema o circuito, y el título indica la función o contenido. Luego se conectan adecuadamente los bloques. La señal por lo general fluye de izquierda a derecha y de arriba hacia abajo. En la Fig. 0.1 se muestra un amplificador de voz. Las ondas de sonido se absorben por un micrófono y se convierten en señales eléctricas, que luego se amplifican mediante un par de circuitos de amplificación. Pasan luego a las bocinas donde finalmente se convierten en sonido. La alimentación de potencia le suministra energía al sistema. La ventaja del diagrama de bloques es expresar toda la idea y ayudar a comprender el fenómeno.

                        

 

• Dibujo

El dibujo puede suministrar información detallada. Permite ver cómo son realmente los circuitos. Como se muestra en la Fig. 0.2, en el circuito se incluye la batería, un interruptor, un bombillo eléctrico y los alambres de conexión. Es fácil de observar la operación. Cuando el interruptor se cierra, la corriente generada por la batería hace que se encienda el bombillo de luz. Denominamos la batería como "fuente de potencia" y al bombillo como "carga".

• Esquema

 

Los dibujos ayudan a observar el circuito, pero son difíciles de dibujar. En los esquemas se utilizan símbolos simples y normalizados para expresar cada uno de los dispositivos. Por ejemplo en la Fig. 0.3, podemos usar símbolos para expresar en forma fácil lo mismo de la Fig. 0.2. Cada dispositivo de la Fig. 0.2 puede ser reemplazado por el símbolo correspondiente.

Ambas figuras se pueden ver en la página siguiente.

 

                

Fig. 0.3 - Esquemas

 

 

Es necesario seleccionar el símbolo adecuado para describir apropiadamente el circuito. Si se mira al bombillo de la Fig. 0.3, se ve que tiene la característica de una resistencia, ya que se opone al movimiento de las cargas. Si se desea enfatizar esta característica, use simplemente el símbolo de resistencia en lugar del de un bombillo, como se muestra en la Fig. 0.3(b).
Cuando se dibuja el esquema, las líneas horizontales y verticales se unen en ángulos rectos, como se muestra en la Fig. 0.3(b). Esto obedece a regulaciones ya normalizadas.

• Símbolos de los Esquemas

 

En la Tabla 0.6 se muestran los símbolos utilizados más corrientemente, que se pueden usar adecuadamente para indicar el funcionamiento del circuito.
Abajo se indica el significado de cada símbolo, de izquierda a derecha y de arriba hacia abajo.

 
(1) Batería sencilla / múltiple; Fuente de Tensión; Fuente de Corriente; Resistencia Constante/Variable; Capacitor Constante/Variable; Inductor de núcleo de hierro/ ferromagnético. (2) bombillo; Interruptor de 1 tiro/doble tiro; Micrófono; Bocina; Conexiones; Salto de conexión; Tierra, Fusible; (3) Interruptor termomagnético (breaker); Amperímetro/amperímetro/ Voltímetro; Transformadores; Fuente.
0.2.4               Teoría Atómica
            La estructura atómica básica se puede representar como en la Fig. 0.4. Los electrones giran en órbitas circulares alrededor del núcleo compuesto de protones y neutrones. Los electrones son cargas negativas y los protones cargas positivas. En un átomo, la cantidad de electrones y protones es la misma, bajo estado normal. El átomo tiene carga neutra ya que los electrones y los protones tienen igual número de cargas, que se anulan mutuamente, lo que significa que la carga neta de un átomo es igual a cero. El núcleo tiene cargas positivas, ya que contiene los protones o cargas positivas y los neutrones, que tienen carga neutra.    

                                          

Fig. 0.4 - Modelo Atómico de Bohr

            La estructura básica mostrada en la Fig. 0.4 se puede usar para cualquier elemento, aunque por supuesto, cada elemento tiene una combinación única de electrones, protones y neutrones. Por ejemplo, el átomo de Hidrógeno es el más simple, pues contiene solamente un protón y un electrón. Sin embargo, el átomo de cobre tiene 29 electrones, 29 protones y 35 neutrones.
Las órbitas que los electrones describen alrededor del núcleo se llaman niveles, denominados K, L, M y N (Fig. 0.5). en cada nivel o capa puede haber un número máximo definido de electrones. Por ejemplo en la capa K no puede haber más de 2 electrones, 8 en la K, 18 en la M y 32 en el nivel N. Por ejemplo, el Cobre tiene 29 electrones, con 1 solo electrón en la capa o nivel exterior (2K+8L+18M+1N = 29). En la Fig. 0.6 se muestra esta distribución. El electrón del nivel exterior se llama electrón de valencia.

                                          

• Electrón Libre

Los electrones giran alrededor del núcleo con velocidad increíble. La fuerza de atracción entre las diferentes cargas los mantienen en sus órbitas. Charles Coulomb (1736-1806) encontró este efecto, y enunció su ley a partir de resultados experimentales. La fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos es directamente proporcional al producto de las dos cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Matemáticamente sería:

                                      

Q1 y Q2 son las cargas de sendos cuerpos, r es la distancia (metros) entre los puntos centrales de los dos cuerpos, k es 9 x 109. Cargas similares se repelen y cargas distintas se atraen, como se muestra en la Fig. 0.7. El electrón (-) atrae a la carga positiva del núcleo. Fig. 0.7(c).
De acuerdo con la Ley de Coulomb (Ecuación 0.1), la fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, y cuando la distancia entre las dos cargas se duplica, la fuerza se reduce en únicamente una cuarta parte del valor original. Según esta relación, la fuerza de atracción del electrón en el nivel exterior con respecto al núcleo es más débil que la fuerza entre los electrones del nivel interior y el núcleo. Esto significa que los electrones exteriores tienen una fuerza de unión más débil, y tratarán de escaparse del átomo original cuando obtienen suficiente energía.

       
           
            La energía necesaria para que un electrón escape de su órbita depende de la cantidad de electrones de valencia en la capa exterior. Si hay demasiados, se requiere entonces muy poca energía para que escapen. Por ejemplo los electrones de valencia en un átomo de cobre pueden escapar fácilmente al recibir un poco de energía térmica, y pueden escapar aún a temperatura ambiente. Se mueven de un átomo a otro, como se muestra en la Fig. 0.8 (Nota: estos electrones no abandonan el cuerpo al cual pertenecen, sino que se mueven de un átomo a otro del mismo cuerpo, que a su vez permanece neutro.) Estos electrones que se mueven de un átomo a otro se llaman "electrones libres."

                          

• Iones

Cuando un átomo neutro gana o pierde un electrón, adquirirá una carga neta. Este átomo cargado se llama "ion". Si este átomo pierde uno o más electrones adicionales, entonces se convierte en un ion positivo. Si gana uno o más electrones se convierte en un ion negativo.

• Conductores, Aisladores y Semiconductores

Los materiales se pueden clasificar como conductores, aisladores o semiconductores, a saber:

1. Conductor: Son aquellos materiales que fácilmente pueden mover una gran cantidad de electrones. Los metales son buenos conductores, ya que poseen una fuerza débil en los electrones de valencia. La plata, cobre, oro y aluminio son todos buenos conductores. El cobre se puede usar en electrónica, equipo eléctrico y en conductores. La conductividad del aluminio es solamente 60%  la del cobre, pero sin embargo se utiliza en transmisión de potencia debido a su poco peso. Como el oro se oxida con mayor dificultad que otros metales, se usa en uniones eléctricas de gran precisión.

2. Aislador: Se denominan aisladores a aquellos materiales que no pueden transferir cargas (vidrio, cerámica, plástico, caucho, etc.) Por ejemplo, el forro de los conductores es un aislante o aislador, y evita que los alambres se toquen y produzcan un corto. Los aisladores no pueden transferir cargas debido a que sus niveles de valencia están completos o casi completos con electrones, por lo que éstos están muy unidos. Sin embargo, si a estos materiales les proporcionamos suficiente energía, los electrones se pueden saltar de la última órbita, lo que causará una conducción eléctrica.

3. Semiconductor: Algunos materiales como el silicio y el germanio (contaminados o "dopados" con otros materiales) tienen niveles de valencia a medio llenar. No son ni buenos conductores ni buenos aisladores. Como sabemos, las características tan particulares de los semiconductores los han convertido en materiales muy importantes para la industria eléctrica. El material más importante es el silicio o silicón (del Inglés), que se usa en transistores, diodos, circuitos integrados y otros dispositivos eléctricos. Se usan en computadoras, VCRs, unidades de disco compacto (CD) y en muchos otros productos de uso diario.

 

• Carga

En general, una sustancia tiene igual número de protones y electrones, por lo que se considera neutra. Eléctricamente no está cargada. Si una carga se mueve de una sustancia y se transfiere a otra, entonces ambas sustancias se cargan. Cuando decimos que una sustancia está cargada, significa que tiene cargas adicionales o que le faltan cargas. Si las tiene en exceso, entonces es un material cargado negativamente. Si le faltan cargas, está cargado positivamente. La carga eléctrica se expresa como Q.

Se tiene un ejemplo práctico cuando se camina sobre una alfombra de lana. Esta acción hará que las cargas eléctricas se muevan de un material hacia otro. El zapato y la alfombra son ambos aislantes, de tal forma que las cargas no pueden regresar a donde proceden. Esto hace que una de las dos sustancias posea cargas adicionales y a la otra más bien le falten cargas. En el caso que nos ocupa, el zapato tendrá exceso de cargas, por lo que usted sufrirá un golpe eléctrico cuando toque una superficie metálica.

La unidad de carga es el Coulombio (C), cuya definición es la carga correspondiente a 6.24 x 1018 electrones.  Cuando una sustancia neutra gana tal cantidad de electrones, tendrá una carga de -1C, y si pierde esa misma cantidad de electrones, obtendrá una carga positiva de +1C. Un electrón tendrá entonces una carga de 1/(6.24 x 1018) = 1.6 x 10-19 C.

Ejemplo 0.2:

A una sustancia neutra se le retiran 1.7 C cargas, y luego gana 18.7 x 1011 electrones. ¿Cuál es la carga final de esta sustancia?

Respuesta:

La sustancia es inicialmente neutra, lo que significa que Q inicial = 0V, y cuando se le retiran 1.7 C de carga, se carga positivamente con 1.7 C. Cuando se le agregan 1.87 x 1011 electrones, adquiere  1.87 x 1011 electrones x (1 Coulombio) / (6.24 x 1018 electrones) = 0.3 C de carga negativa..

La carga final será entonces: Q fin = 1.7 C - 0.3 C = +1.4 C.

 

 

 

0.3.        Resumen

Puntos clave:
1. Unidades SI
2. Notación científica y de ingeniería
3. Diagramas de circuitos

• de bloques
• dibujo
• esquemático
• símbolos en los diagramas

4. Teoría atómica

• electrón libre
• Ion
• Conductor, aislador y semiconductor

5. Carga.

 

0.4  Problemas

1. Convierta las siguientes cantidades:

• 100 pies cuadrados a metros cuadrados
• 1 pie cuadrado a metros cuadrados
•  1.2 metros x 70 centímetros a metros cuadrados (m2)
• 47 libras a Newtons
• 35 hp (caballos) a Watts
• 1380 radianes/hr a grados/s.

 

2. El consumo de su automóvil es de 27 millas/ galón (US). ¿Cuál es el consumo en kilómetros/litro?
3. Use la medida de mil circular para determinar el área de los siguientes conductores:

• Un alambre circular con diámetro de 0.016 pulgadas
• Un alambre de sección circular con diámetro de 2.0 mm
• Una barra rectangular con un área de 0.25 x 6.0 pulgadas.

4. La resistencia de un conductor de aluminio a temperatura ambiente es de 50ºC. Determine la resistencia del conductor a -30ºC y a 200ºC
5. Los alambres de uso doméstico AWE están diseñados para trabajar entre -140 y 90ºC. Calcule la resistencia en un circuito de 200 pies de longitud con las mismas temperaturas (1 pie circuito es igual a dos veces la longitud del alambre que se carga).