ELECTRÓNICA PARA NEWBIES.

¿Qué conclusiones has sacado de la lección anterior? La teoría electrónica que facilita la comprensión de lo que es la corriente eléctrica y cuanto verás más adelante, comprender cosas más interesantes, como, por ejemplo el funcionamiento de los transistores, la transformación del sonido procedente de un campo eléctrico, y otros fenómenos más interesantes.

En la lección anterior dejamos planteado lo que es la corriente eléctrica, y la definíamos como el desplazamiento masivo de electrones. Pero la corriente necesita una fuerza que promueva ese desplazamiento. Esa fuerza es la llamada Fuerza Electro Motriz (a partir de ahora FEM.)

Fuerza electromotriz.

Se trata de una diferencia de nivel eléctrico entre dos cuerpos cargados eléctricamente. Por ejemplo tomamos el cuerpo A, al cual por algún medio le hemos robado 100 electrones, y el cuerpo B, al cual le hemos robado solamente 30 electrones.

Inicialmente, ambos cuerpos tienen la misma carga eléctrica; pero a uno de ellos le hemos robado 100 electrones, y al otro solo 30 electrones. Por esta razón al electrón que le hemos robado solo 30 electrones, será menos positivo que al que le hemos robado los 100 electrones, que será todo positivo. El campo eléctrico que crearán estos dos cuerpos tendrá una diferencia de potencial de 70 electrones respecto al cuerpo cargado positivamente (CATIÓN), que no tiene ningún electrón. El campo eléctrico se mantendrá a ese nivel durante un tiempo si no actúan cargas sobré el que lo modifiquen. En el vacío la duración de su estado puede ser más longeva.

Si los cuerpos se acercarán, el campo eléctrico generado, comenzaría a ser más intenso, y al llegar a un punto en el cual los electrones del anión tuviesen la suficiente energía, estos saltarían del anión al catión para neutralizar las cargas del anterior.
Con esto los dos cuerpos se quedarían con carga eléctrica positiva, lo cual cesaría el movimiento de electrones al dejar de existir una diferencia de potencial.

NOTA: Que no exista diferencia de potencial, no significa que no exista campo eléctrico. Lo que pasa que ya sabes que cuerpos de igual carga eléctrica, se repelen. La única forma de que los cuerpos que tienen la misma carga eléctrica se unan es mediante la supresión de su fuerza molecular.

Para entender bien este concepto en la siguiente figura lo verás claro.
En la figura se muestran unos vasos comunicantes tal como los estudiasteis o lo estudiarás en física.

Estos vasos están formados por 2 torres unidas por un tubito inferior; las torres tienen diferente sección para el ejemplo que interesa. El tubito que une las torres, tiene una llave que impide que pase el líquido de una torre a otra. En la situación actual, la torre 2 tiene mayor capacidad que la torre 1. Este nivel se mantiene así porque la llave del tubito que conecta ambas torres está cerrada. En el momento que abramos un poco la llave, comenzará a llenarse la torre 1 y el nivel de la torre 2 disminuirá.

Mientras más abramos la llave, mas rápido se llenará el vaso de la izquierda y vaciará el de la derecha.
Por ley física, cuando el nivel de la torre 1 se halla equiparado con el nivel de la torre 2, (esto no significa que estén al mismo nivel de líquido), la circulación de líquido se parará. En el ejemplo anterior se pararán cuando la presión en la torre 1 se haya igualado a la de la torre 2; a distinto nivel (altura) debido a la diferencia de sección.

Para hacer que la circulación de corriente sea constante, sumergimos una tubería en la torre 1 y, mediante una bomba de líquido, transportamos el mismo hacia la torre 2 en la cual volverá a caer el líquido y empezando de nuevo el ciclo.

Así pues definimos como FEM, la fuerza necesaria para que exista una diferencia de potencial o nivel eléctrico en un circuito. Se llama Fuerza Electro Motriz o FEM.

Esta FEM es generada por un generador electromecánico (alternador) o una batería.

Dejando el estudio de electro generadores mecánicos para otros cursos, el funcionamiento de la pila parte del hecho de que los metales son ricos en electrones y tienen la peculiaridad de desprenderse rápidamente de la ultima orbita que rodea el átomo.

Los metales son buenos conductores de la electricidad.
El Cinc es uno de los metales en el que con mayor facilidad se desprenden los electrones en la reacción química y el Cobre es uno de los metales que los retienen con mayor firmeza.

Si unimos un trozo de Cinc y otro de Cobre, algunos electrones del Cinc, pasarán al cobre, por lo que el Cinc adquiere carga positiva y el cobre negativa. Este tipo de inducción, por contacto, dura poco. Pero si introducimos los 2 metales en un recipiente con un líquido mezclado con un ácido, que llamaremos, electrolito, se va a producir una reacción química que produzca energía eléctrica.

Si introducimos unas varillas de Cinc y otra de Carbón en un electrolito, la acción química va a extraer electrones de la varilla de Carbón para acumularse en la de Cinc.

Si se conecta un conductor a los extremos del Carbón y del Cinc que sobresalgan del electrolito, va a fluir continuamente una corriente eléctrica de electrones, a través del conductor, desde el Cinc hasta el Carbón, y desde el Carbón hasta el Cinc, a través del electrolito.

La fuerza electro motriz que aparece en los extremos de las varillas es aproximadamente a 1.5 voltios.
El voltaje es la unidad de medida del diferencial eléctrico o FEM. Dicho voltaje no será mayor por muy grandes que sean las varillas, lo que sí será grande será mayor es la intensidad de la corriente eléctrica.

Para que sea mayor la tensión habría que poner más varillas en el recipiente y unirlas de modo que las fuerzas electromotrices de los conjuntos Cinc-Carbón, resultara mayor. Es lo que se llama unión de elementos en serie. El borde del Cinc que entrega electrones al circuito exterior se llama CÁTODO (no confundir con CATIÓN); y el borde del Carbón se llama ÁNODO (no confundir con ANIÓN).

Intensidad de corriente eléctrica

Se expresa con la letra I y corresponde a la circulación de electrones por un determinado punto del conductor en unidad de tiempo (en segundos) y se expresa en Amperios representado por A.

La corriente eléctrica siempre se desplaza en un sentido respecto a la diferencia de potencial:
de Cátodo a ánodo o de otro modo, de negativo a positivo.

A lo largo de este curso vamos a establecer un sentido convencional de la corriente; es decir de ánodo a cátodo o positivo a negativo para la mejor comprensión de los circuitos eléctricos que estudiemos más tarde; pero ten en cuenta que la corriente eléctrica SIEMPRE va desde el terminal más negativo al terminal más positivo.

La circulación de corriente eléctrica por un medio está delimitada por el propio medio que consume parte de esa corriente y la manifiesta en otra forma de energía.
En este sentido, el medio más usado para transportar la energía eléctrica es un medio físico, cable eléctrico o conductor. Más tarde veremos porqué el cable o conductor es la mejor opción para transportar energía eléctrica de un punto a otro.

Resistencia eléctrica

Hemos dicho que la corriente eléctrica pasa a través de un conductor. Y que dicho conductor, modifica la corriente eléctrica porque consume parte de ella.

Pero dicho conductor puede ser de distinto tipo, forma y constitución, lo que afectará de diferente manera al paso de la corriente.

También hay que diferenciar dos fenómenos:

Que la corriente eléctrica circule por el interior de un conductor de la electricidad.

Que un material se interponga en el camino de la electricidad para producir un efecto en la corriente eléctrica.

En electrónica vamos a centrarnos en la causa que produce que un elemento se interponga en el camino de la corriente eléctrica. Pero es muy importante que sepas calcular la resistencia física que produce un tipo de material al paso de la corriente eléctrica, pues eso también nos afecta en los cálculos de circuitos, sobre todo en circuitos muy delicados.

Todos los materiales de la Tierra tienen una resistencia física y eléctrica, por lo que el estudio de los mismos deriva del conocimiento de los mejores conductores de electricidad.
Para esta parte del curso, nos fijaremos en los conductores más comunes como pueden ser el Cobre, la Plata o incluso el Oro.

Cada elemento tiene su propio coeficiente de resistividad, el cual es la resistencia que ofrece dicho material al paso de la corriente.

La formula siguiente indica la resistencia de un material.

Siendo ρ = el coeficiente de resistividad que se mide en Ohmios por metro (Ω—m).
L, la longitud del conductor en metros.
S, la sección en milimetros cuadrados.

Para calcular la resistividad de un material debes de conocer la longitud de ese material y la sección del mismo. Como habrás observado, la resistividad se da en Ohmios por metros, pero la sección se debe de dar en milímetros cuadrados. Es conveniente por tanto realizar una conversión de unidades para tener una resistividad real del elemento en cuestión.

CALCULO DE LA RESISTIVIDAD DE UN CONDUCTOR DE COBRE.

Teniendo cinco centímetros de longitud y dos milímetro de sección de un cable de cobre, quisiéramos saber cuál es la resistividad total que ofrece el material que utilizaremos para conectar partes distintas en nuestro circuito.

Para ello aplicamos, primero la formula:

R = ρ (l ÷s)

Y después sustituimos los valores que tenemos del problema

R = 1,71 x 10^-8 Ω·m (5cm / 2mm)

Como podemos ver tenemos un problema ya que tanto la longitud como la sección, tienen diferentes unidades.

Para resolver el problema hay que transformar las unidades de medida a la escala que requiere la formula.
Está claro que en la escala de unidades, 5 centímetros son 0,05 metros.
Para pasar 2mm a milímetros cuadrados, elevamos 0,002 al cuadrado lo que nos da el resultado de 4 x 10^-6 (0,000004) para obtener los milímetros cuadrados.

Sustituyendo los valores transformados en la formula, nos queda que:
R = 1,71 x 10-8 Ω·m (0,05m/ 4 x 10-6 mm)
Ahora debemos de transformar la unidad de la resistividad del Cobre a Ω x mm2 ya que en el sistema internacional se expresa en ohmios por metros y ahora estamos usando la conversión de ohmios por milímetros cuadrados:
Resolvemos:

Simplemente multiplicamos por 1 x 10⁶ (1000000):

P = 0,017 Ω—mm²/m
Y sustituyendo todo:
R = 0,017 Ω—mm²/m (12500) R = 212,5 Ω.

Ahora estamos en condiciones de hablar de Resistencia eléctrica. Una resistencia eléctrica es una pieza de diversos materiales y distintas formas cuya función principal es la de reducir el paso de la corriente eléctrica cuando pasa a través de ella.

Las resistencias, al estar formada de diversas materias, carbón, mezcla de metales, semiconductores, etc., pueden tener diferentes valores.
La resistividad propia del material de la resistencia eléctrica hace que los electrones que entran en ella (corriente eléctrica), choquen con los átomos de la misma (el material) reteniendo una cantidad de electrones dentro de la resistencia, la cual se calienta por el choque de los electrones.

Así se reduce el flujo de electrones por el conductor (flujo eléctrico).
Si la cantidad de electrones que chocan con los átomos, que conforman el material resistivo, fuesen mayor de lo que la propia cantidad resistiva (material) es capaz de retener, la resistencia en sí se quemaría, debido al calor excesivo de los choques que se producen internamente. Es por eso que toda resistencia eléctrica tiene unos valores de resistencia que designan su potencia máxima a disipar.

Unidades eléctricas

Las unidades que representan la FEM, la intensidad eléctrica y la resistencia son el Voltio, el Amperio y el Ohmio.

Según lo visto anteriormente:

Amperio:

Unidad de la intensidad de la corriente eléctrica. Si el caudal de agua se puede medir en litros por segundos, el flujo de la electricidad se mide por el flujo de sus cargas.
Cuando en un punto dado del conductor que forma parte del circuito pasa por cada segundo de tiempo una cantidad de 1 Coulomb de cargas eléctricas, a esa cantidad se la define como Amperio. Se suele utilizan los submúltiplos como el miliamperio y el microamperio.

Ohmio:

Unidad en la que se mide la resistencia eléctrica en un conductor.
En física es la resistencia opuesta al paso de la corriente eléctrica por una columna uniforme de mercurio de 106,3 cm. de largo y con una superficie transversal de 1 milímetro cuadrado, a 0ºC. de temperatura.
Se representa con la letra Omega (Ω) y suele aplicarse múltiplos Kilo o Mega para representar valores elevados de resistencia.

Voltio:

Unidad de medida de tensión eléctrica. El voltio es la diferencia de tensión que hay que aplicar a una resistencia de un ohmio para que circule una intensidad de un Amperio.

Bien, estos tres conceptos de unidades eléctricas nos sirven para pasar a estudiar el siguiente punto, y, en el cual aprenderás a aplicar las matemáticas a tus circuitos.

Ley de Ohm

Esta ley relaciona directamente las tres magnitudes estudiadas anteriormente. Dicha ley enuncia lo siguiente:

La intensidad de corriente de un circuito eléctrico es directamente proporcional a la fuerza electromotriz del generador e inversamente proporcional a la resistencia del circuito

Donde
I= Intensidad de corriente.
E= FEM.
R= Resistencia.

Si aplicamos las derivadas, la formula también puede calcular las otras variables:

El siguiente gráfico te ayuda a la hora de transformar una fórmula

Vamos a resolver un ejercicio para entender la ley de Ohm.

Arriba puedes ver un circuito eléctrico formado por una resistencia eléctrica de un valor de 1000 de ohmios (1KΩ) y una fuente de alimentación de corriente continua de 1,5 voltios.
¿Sabrías calcular la intensidad de corriente que circula por la resistencia del circuito?

Si, es demasiado sencillo; pero vamos a aplicar Ohm:
Utilizando el triángulo de Ohm, sabemos que la intensidad es el valor de la tensión aplicada a la resistencia dividido por el valor de la resistencia aplicada.

I = V ÷ R

Para resolver, simplemente sustituimos las incógnitas por sus valores:

Ahora, ¿qué dirías si te digo que este valor no es el real?
La realidad difiere un poco de la teoría, ya que en el cálculo inicial no hemos incluido ni la resistividad que tiene el material del circuito ni la resistencia interna de la batería. Estas incógnitas anteriores se pueden despreciar ya que sus valores óhmicos no afectan lo suficiente al circuito como para que afecte al resultado en gran medida.

Elementos en serie y paralelo

¿Qué puedes ver aquí?

Observas varios circuitos en serie y en paralelo.
En el primer circuito ves como el circuito es idéntico al inicial; la batería en serie con la resistencia. En el circuito de su derecha, ves dos baterías en paralelo, que a su vez están en paralelo con otras dos resistencias.
En el circuito de abajo puedes ver elementos en serie y en paralelo.

Cuando dos o más elementos están en serie, sus valores se suman y es el valor total lo que se tiene en cuenta para calcular el circuito.

Cuando dos o más elementos están en paralelo, sus valores han de ser calculados según el tipo de elemento y su valor.

Desglosaremos por circuitos y calcularemos:

Teniendo estas reglas anteriores, podemos establecer que la tensión de las fuentes es la misma, y que están conectadas en paralelo porque el mismo terminal (tanto positivo como negativo) se conecta a la misma línea del circuito.

Asi que la tensión que se aplicará al conjunto de resistencias en paralelo será de 1,5V. Si una de las fuentes fuese de menor tensión que la otra, en un circuito en paralelo, habrá que realizar un calculo según el cual.

Así que aplicándo la formula la tensión aplicada al circuito es de 1,5V porque las tensiones independientes son del mismo valor. Y las resistencias al tener el mismo valor ofrecen una reactancia resistiva del 500Ω.

Por lo que traduciendo tenemos que:

Si las fuentes de tensión aplicadas al circuito fuesen diferentes, por ejemplo de 4,12V y la otra de 3,45V, se tendría que calcular teniendo en cuenta que la fuente de mayor tensión será la que ofrezca la carga principal al circuito (la de 4,12V), mientras que la fuente de menor tamaño (3,45V), servirá de apoyo al mismo.

En la teoría la fuente de mayor tamaño predominaría en el circuito y la salida del mismo sería de 4,12V, pero por desgracia, en este caso no es así, ya que la batería de menor tamaño ofrece sobre la batería de mayor tamaño una resistencia,o una diferencia de potencial sobre el circuito.

Y como puedes ver la tensión resultante es menor que la primera, pero mayor que la segunda.
Esto se debe principalmente a que la bateria de mayor tensión actúa como cargador de la batería de menor tamaño, y por tanto la batería de menor tamaño se convierte en una carga en el circuito, por lo que hay que tener precaución a la hora de conectar dos o más baterias en paralelo, ya que se puede superar la tensión de carga de una de ellas y se puede producir un fallo o rotura.

Pero para el cálculo de circuitos, no tendremos en cuenta el efecto de carga y en cargas en paralelo de diferente tensión, cogeremos siempre la de mayor tensión.

Elementos en serie

Se ha establecido que los elementos en serie en un circuito son aquellos en que los terminales de los componentes están en serie uno detrás de otro, o en la misma línea de circuito.

Cuando dos o más elementos están en serie, sus valores se suman y es el valor total lo que se tiene en cuenta para calcular el circuito. En ese circuito la suma total de las tensiones de las baterías designan el valor total de la tensión de la batería.

Las resistencias en serie también suman sus valores para obtener una resistencia total mayor que cualquiera de las sumas parciales.

Elementos en paralelo

Ya hemos comentado que las tensiones en paralelo siempre será la misma tensión aplicada a una malla del circuito cuando las fuentes de alimentación sean del mismo valor.
Si son de valores diferentes, deberá de calcularse a modo de aproximación, aunque consideraremos siempre las fuentes de igual tensión hasta que estudiemos los teoremas de Thevenin y Norton, entre otros.

En cuanto a las resistencias en paralelo, siempre se utilizará la formula siguiente.

Si en el circuito o ramal, solo existen dos resistencias, se puede aplicar la formula rápida para el cálculo de resistencias en paralelo:

En la sección de práctica empezaremos con la resolución de ejercicios y circuitos simples mediante Ohm.

Potencia eléctrica

Se dice potencia eléctrica a la potencia que el circuito es capaz de disipar en Vatios(W).
La potencia eléctrica se mide en cada elemento que interfiere en el circuito; resistencias, baterías, inductancias, condensadores, etc.
Hay varias formulas para el cálculo de la potencia, pero la que más se utiliza, por su simplicidad de componentes:

La potencia representa el consumo de energía eléctrica que absorbe el circuito eléctrico o la energía eléctrica que absorbe cada componente del mismo. Es importante conocer las causas y los efectos de la potencia eléctrica ya que sin duda, la misma es capaz de destrozar, por el calor generado, componentes vitales para el circuito.
De ahí el estudio de la potencia, para poder saber hasta dónde podemos llegar en nuestro consumo de energía.

Al igual que los elementos en serie y paralelo, se puede aplicar la potencia en elementos en serie y paralelo, simplemente deberás de fijarte en el ramal o circuito que quieras comprobar y realizar la medida de manera individual (por componente) o de manera global (por conjunto y sistema).

Bueno, vamos a parar por ahora. Visita el enlace de las prácticas para que puedas ver como se realizan los cálculos en circuitos serie, paralelo y mixtos utilizando la ley de Ohm. Ya sabes que si te ha gustado, puedes compartir el curso en las redes sociales y dar tu opinión.

Gracias.