ELECTRÓNICA PARA NEWBIES.

Ya conoces la electricidad estática y la ley de atracción y repulsión de las cargas eléctricas. Esa capacidad que tienen los cuerpos cargados de electricidad de ejercer fuerzas unos sobre otros a través del espacio que los separa y sin estar en contacto entre sí, se atribuye a algo no visible, pero que produce sus efectos. Ese algo no visible se llama campo eléctrico y se origina por la presencia de cargas en los cuerpos.

La forma de representar el campo eléctrico es arbitrario por lo cual se acepta que dicho campo está compuesto de líneas de fuerza a las cuales se le asigna una dirección. Son rectas con puntas en flecha que indican en qué sentido se desplazarán las líneas de fuerzas. Se ha establecido que las cargas positivas emiten estas líneas de fuerza y las cargas negativas las reciben.

Todos los cuerpos eléctricos tienen una carga asociada; y todos los cuerpos interactúan entre ellos formando campos eléctricos. Pero el campo eléctrico tiene otra característica asociada aparte de la estudiada de repulsión y atracción; influye sobre otros cuerpos.

La influencia de un campo eléctrico sobre un cuerpo neutro, es decir, en estado eléctricamente neutro, puede hacer que dicho cuerpo separe sus cargas positivas y negativas.

El corcho es un cuerpo que puede estar eléctricamente positivo o negativo.

En el ejemplo se observa 2 esferas de corcho cargadas positivamente y otras 2 esferas, negativas. Como hemos explicado, las líneas de fuerza del campo eléctrico de los cuerpos A, producen que, por un lado, influyan sobre el cuerpo B para crear un campo eléctrico; y por otro lado, como las líneas de campo de los cuerpos A son iguales, estos se rechazan entre sí, al igual que los cuerpos B.

En el ejemplo, al empuje que sufre la esfera A, (debido a la repulsión electrostática que producen los cuerpos de igual signo) hacia la esfera B, ( la cual sufre repulsión de su otra esfera B ), hace que el campo eléctrico de ambas esferas A y B sea más intenso. Si las líneas de fuerza fueran muy intensas, harían chocar estos cuerpos y se neutralizarían, pero en el estado actual el campo eléctrico que se crea se denomina DIPOLO.

Un dipolo es un campo eléctrico que está formado por una carga positiva y otra negativa. Dicho dipolo tiene una energía establecida dependiendo de su campo eléctrico y a la proximidad de sus cargas respectivas.
Si dichas cargas llegarán a tocarse, el dipolo desaparece debido a la neutralización de las cargas.

Una partícula que se aproximara a este dipolo, sentiría la influencia eléctrica de su campo eléctrico. La influencia se asemeja al ejemplo anterior de las esferas de corcho; una esfera siente la carga de la otra e interactúan entre ellas en forma de un campo eléctrico llamado dipolo.

Hay que matizar por si aún no ha quedado claro que cada carga eléctrica, posee un campo eléctrico, que puede ser positivo o negativo y que al juntarse con otra carga, pueden formar o un dipolo con un campo eléctrico mayor que el de cualquiera de las 2 cargas; ó pueden crear un campo eléctrico repulsivo, si las cargas son del mismo signo. Así pues llamamos a la influencia eléctrica como inducción electrostática.

Las cargas eléctricas ejercen fuerzas entre sí; si son de la misma polaridad se rechazan y si son de polaridad contraria, se atraen. Dicha atracción o repulsión se puede medir mediante la famosa ley de atracción de Coulomb, que dice:

la fuerza de atracción o repulsión que ejercen dos cuerpos cargados de electricidad de signo opuesto o iguales, es proporcional al producto de sus cargas dividido por el cuadrado de la distancia que los separa.

Esa fórmula es:

El campo electrostático se comporta como una fuerza hasta el punto de que es capaz de modificar la trayectoria de los electrones y también es el responsable y base de un nuevo componente que te voy a presentar ahora mismo. El condensador, que al igual que la resistencia, el condensador se utiliza mucho en circuitos eléctricos.

El condensador

Imagina una placa metálica con un péndulo colgado en un extremo y cuyo hilo y péndulo son conductores.
Si a esa placa, aislada de tierra, la conectamos al borne positivo de la batería, la placa adquirirá carga positiva, y como el péndulo está conectada a la placa, este adquirirá carga positiva también, lo que producirá que el péndulo se aleje de la placa, debido a la repulsión electrostática. La distancia que se alejará el péndulo dependerá de la fuerza de repulsión y, esta, de la carga eléctrica.

Si ahora desconectamos la batería e introducimos una nueva placa (2), similar a la placa 1, ésta va a inducir a la nueva placa una inducción electrostática, y el péndulo de ésta placa 2 se alejará de la misma debido a la repulsión electrostática que ha adquirido.
Además si te fijas, el péndulo de la placa 1, ha disminuido unos grados, ¿porqué? Es fácil; la placa 1 ha cedido energía a la placa 2, por tanto, el péndulo 1 está sometido a menor repulsión electrostática de la placa 1. Por contra en la placa 2 se ha inducido una carga positiva que produce una repulsión electrostática en el péndulo 2.
Para que el péndulo 1 vuelva a su posición inicial, habría que conectar de nuevo la batería.

Ahora imagina que conectamos la placa 2 a masa o tierra. Ves que el péndulo 2, al estar conectado a masa la placa 2, cesa su repulsión; esto es debido a que ya no existe campo electrostático en dicha placa, al estar conectado a masa.

El péndulo de la placa 1 disminuye mucho mas debido a que ahora en la placa 2 no hay carga, y está disponible para coger mas carga eléctrica, pero al estar conectado a masa, no produce ninguna repulsión a su péndulo 2. Llegará un momento en que la carga de la placa 1, se acabe debido a la conexión a tierra de la placa 2. A la capacidad de recibir cargas eléctricas y mantenerlas almacenadas se llama capacidad eléctrica.

Los elementos capaces de almacenar las cargas eléctricas se llaman condensadores. Si ahora colocamos entre placa y placa otra placa, pero esta aislante de electricidad (vidrio, porcelana, etc.), la inclinación del péndulo 1 será menor. Esto significa que esta placa puede recibir más cargas eléctricas. Es un efecto similar a aumentar la capacidad de almacenar electricidad. A esta placa aislante la llaman dieléctrico y se representa por la letra K.

Resumiendo en pocas palabras, el hecho de colocar una placa (1), paralela a otra (2), sin que se toquen físicamente, y agregarle una placa aislante entre ambas produce los siguientes casos:

Una placa eléctrica no almacena electricidad, solo las ordena durante el tiempo que se conecta él generador eléctrico. Una vez desconectado, vuelve a su estado normal.

El hecho de aproximar la placa 1 a la placa 2 modifica el comportamiento de la placa 1 y ahora el conjunto está en condiciones de almacenar las cargas eléctricas, originando una diferencia de potencial entre las placas. ( Revisa tema 3 de electrotecnia )

La placa aislante entre ambas placas aumenta la capacidad de almacenar cargas eléctricas por el conjunto.

La capacidad del condensador, con las mismas placas 1 y 2, puede aumentar o disminuir de acuerdo al tipo de sustancia aislante que se coloque entre ambas.
Esta característica propia de las sustancias aislantes se le dice constante dieléctrica de los condensadores, y es la relación que existe entre la capacidad de las placas con dieléctrico de aire (sin placa aislante), y la capacidad que se obtiene poniendo un dieléctrico de cualquier sustancia. A esta relación se la llama constante K.

La capacidad está dada por las superficies de las placas 1 y 2 que se enfrentan. Cuanto mayor es la superficie, mayor es la capacidad. Por separación de las mismas, cuando más cerca estén mayor inducción existe y aumenta la capacidad. La constante dieléctrica K también influye en el valor.

Siendo C, capacidad; K la constante del dieléctrico; d, la distancia entre las placas.
La unidad de la capacidad es el Faradio, que define como la capacidad que puede almacenar 1 Coulomb, cuando se aplica 1 voltio al condensador. Esto establece la siguiente relación matemática:

Acoplamiento de condensadores.

Al igual que se pueden conectar las resistencias en serie y en paralelo, los condensadores también presentan esta peculiaridad, por lo que podemos distinguir dos estados:

En serie

Unos condensadores en serie se alinean igual que la resistencia en serie, pero con la diferencia de que en vez de sumar los valores de la capacidad de cada condensador, al igual que se hacía en los circuitos serie de resistencias, su valor total se obtiene igual que la fórmula del paralelo de las resistencias. En la imagen de arriba se puede ver la capacidad total cuando solo hay dos condensadores.

La capacidad total es menor que la capacidad más pequeña de los condensadores ya que aumenta las distancia entre las placas, mientras que la superficie de éstas sigue siendo la misma. Cuando hay más de dos condensadores hay que utilizar la formula siguiente:

En paralelo

Las placas positivas de los condensadores que se conectan en paralelo se unen todas a un mismo terminal, y las placas negativas a otro. Por lo tanto la capacidad total es igual a la suma de las capacidades parciales, pues la distancia entre placas permanece constante; pero la superficie resultante es igual a la suma de la de todos los condensadores.

Constante de tiempo RC.

Cuando se aplica una tensión continua a un circuito como el siguiente, con un condensador conectado a una resistencia en serie, la corriente, después de alcanzar su valor máximo E ÷ R instantáneamente, decrece rapidamente al principio, y después más lentamente en sucesivos intervalos de tiempos iguales hasta hacerse cero.

Así se puede demostrar matemáticamente que durante el primer pulso del interruptor de la bateria, el intervalo de la corriente aumenta un 63,2% de su máximo valor E ÷ R; en un segundo intervalo sube otro 63% del resto (86,4% del máximo), y así sucesivamente en cada intervalo siguiente hasta cargar del todo el condensador a la tensión de la fuente.

Si desconectamos la tensión y permitimos que el condensador se descargue sobre la resistencia, la corriente circulará sobre la resistencia en sentido contrario al de carga, tomando su valor instantáneo E ÷ R, y luego cae a cero gradualmente en la misma forma expuesta para la carga hasta que el condensador queda descargado completamente.

El tiempo necesario para que se produzca la caida y constante del 63,2% se llama constante de tiempo R-C. Cuando mayor sea la capacidad del condensador mayor será el tiempo que necesita el condensador para cargarse o descargarse.
También cuanto mayor es la resistencia, mayor será el tiempo que tarda en cargarse o descargarse el condensador a través de la resistencia, ya que el circuito tiende a mantener el estado inicial de E ÷ R.

La constante de tiempo se expresa en segundos, luego:

Campo magnético

Creo que nos ha quedado claro que aunque el campo eléctrico sea invisible, origina unos efectos que se comprueban. Para desarrollar un campo eléctrico es necesario electrificar los cuerpos, bien mediante electricidad o por frotamiento.

El magnetismo, también es algo invisible pero origina efectos que se observan cómo puede ser la atracción de metales entre otros fenomenos.

El magnetismo existe de forma natural en ciertas sustancias. Se manifiesta por una fuerza que poseen ciertas piedras que llamamos imán. En las proximidades del imán, un trozo de hierro es atraído por el mismo a través del aire. Por tanto, y de la misma forma que con las cargas eléctricas, existe un campo magnético en el cual se siente este efecto de atracción. Para poder ver el campo magnético tenemos que poner un imán debajo de un folio y tirar limaduras de acero al papel.

Como puedes ver las limaduras de hierro se alinean en forma de campo eléctrico. En realidad no es campo eléctrico, sino que es un campo magnético, pero tienen las siguientes similitudes:

Existen unas líneas de fuerzas.

Dicho campo tiene un sentido; es decir, las líneas de fuerza salen de un extremo y entran en el otro.

Tiene polaridad.

Es decir un campo magnético tiene polaridad, en este caso se considera polos; y el polo Norte es por el cual salen las líneas de fuerzas y el polo Sur, por el que regresan.

Los polos del imán se pueden alinear con el campo magnético terrestre, si se suspende el imán del aire mediante una cuerda o un hilito. Al polo que apunta hacia el norte geográfico se le considera polo norte; al que por consiguiente apunta al sur geográfico, polo sur. Qué decir que los polos de los imanes se atraen entre polos de distintos signo. Los polos iguales, se repelen, al igual que las cargas eléctricas de signos iguales.

Si la ley que asignaba la atracción o rechace de los cuerpos cargados de electricidad la marcaba la ley de Coulomb, la ley que define la atracción y repulsión magnética es la siguiente:

Al igual que el campo eléctrico, el magnético se representa en forma arbitraria, con las líneas de fuerza, a las que se les asigna una dirección. Se dice que las líneas de fuerzas magnéticas salen del polo norte y entran en el polo sur.

Si frotamos una sustancia magnética sobre un trozo de hierro, el hierro adquiere las características del imán con sus respectivos polos, norte y sur. Este proceso de influencia se llama Inducción magnética. Si nos fijamos en el ejemplo anterior, el de las limaduras de hierro, vemos que estás dibujan unas líneas que salen de un polo y vuelve a otro haciendo posible ver directamente el flujo magnético que designan las líneas de fuerzas del campo.

El dibujo del campo nos indica que la presencia de campo es más intensa en los polos, ya que los lados del imán existe pocas líneas de fuerza, pero si el campo magnético está entre dos imanes opuestos, el campo que se crea es mucho más intenso.
Las limaduras de hierro actúan como pequeños imanes que se alinean con el campo magnético del imán. Las líneas de fuerzas del campo, inducen a las limaduras y las convierten en pequeñísimos imanes que se alinean con el campo magnético. Esta inducción está producida por el constante circular del flujo magnético sobre las limaduras.

Otra forma de inducción magnética es por frotamiento. Si frotamos un imán sobre un trozo de hierro, éste quedará impregnado de una carga magnética o mejor dicho, se ha convertido en un imán temporal de menor intensidad magnética, por supuesto, que el original.

Hasta ahora estamos viendo imanes en forma de barra, pero, ¿sabes qué pasa cuando el imán está en forma de herradura o es un círculo cerrado?

Se supone que las líneas de fuerzas seguirán circulando, y que habrá polos magnéticos, ¿no? Pues sí. Para que existan polos magnéticos debe de haber dos extremos libres, pero en este caso no los tienen lo que le confiere una característica especial.

Las líneas de fuerzas circulan por el interior del imán propiamente dicho. Lo que refuerza el magnetismo del imán. En este caso los polos estarían localizados entre las caras superior e inferior del aro, pero la cantidad de flujo magnético es inferior a través del aire que hay entre las dos caras, que el flujo magnético del interior del imán.

Así pues, designamos un nuevo término como líneas de inducción. Estas son las líneas de fuerza que circulan por el interior del imán.

Ahora imagina el imán pero con un corte, ahora las líneas de fuerzas pasan de un extremo a otro para crear los polos y un fuerte campo magnético.

Hasta ahora, ¿te das cuenta de que existe mucha similitud con la electricidad?; no te extrañe que gracias al magnetismo se produce la electricidad; pero bueno, la relación que guarda el magnetismo entre la electricidad es muy similar:

Existen líneas de fuerzas magnéticas (similares a la corriente eléctrica)

Existe una "fuerza" que provoca el movimiento de dicho flujo magnético (al igual que la Fem.)

Existe una resistencia magnética, ya que el hierro conduce mejor las líneas de fuerza que el aire (como la resistencia eléctrica)

A la resistencia magnética de los materiales, no tiene nada que ver con los materiales eléctricos. Un conductor eléctrico podría ser mal conductor magnético, y viceversa. A esta resistencia magnética la llamamos Reluctancia. Así pues, y ya establecidos los 3 parámetros magnéticos nuevos, relacionamos los mismos con el siguiente enunciado:

Donde la Fuerza Magneto Motriz tiene el Gilbert como unidad.
El flujo representado por Φ corresponde a la totalidad de las líneas magnéticas, tiene como unidad el Maxwell.
La reluctancia (Rm) es la resistencia que se presenta al paso de las líneas de fuerza. Su unidad es el Oersted.
La permeabilidad se define como la relación del flujo existente en cierta sustancia, con el flujo que existiría si esta sustancia se remplazara por aire sin modificar la FMM que actúa. Es decir, la facilidad al paso de las líneas del campo magnético, en la sustancia, con respecto al aire.

Imanes temporales y permanentes

Si se introduce un imán en limaduras de hierro, éstas son atraídas por el imán y son imantadas al mismo tiempo atrayéndose unas con otras. Pero al retirar el imán, las limaduras de hierro, vuelven a caer y pierden su magnetismo. Este comportamiento de las limaduras de hierro, nos indica que dichas limaduras, han tenido una imantación temporal.

Conclusión: hay sustancias que una vez imantadas, por sí solas, sin influencia externa, conservan sus propiedades magnéticas durante largo tiempo. A este magnetismo retenido por parte de algunos metales se le dice magnetismo remanente. Esta característica es muy importante a la hora de crear aplicaciones basadas en motores eléctricos, generadores, etc.
Si calentamos un imán permanente o le imprimimos una fuerte vibración, éste pierde su magnetismo.

Para que los materiales retengan mayor o menor medida la imantación hay que tener en cuenta el material del cual se fabriquen y según sea su poder de retención magnético, los materiales se pueden clasificar en:

Materiales ferromagnéticos

Son aquellas sustancias que se colocan en un campo magnético y se imantan fuertemente en la misma dirección del campo inductor. Se caracterizan por el hecho de que un campo débil produce en ellas una fuerte imantación (algunas de ellas son, por ejemplo, hierro, acero, níquel, cobalto, etc. ).

Materiales paramagnéticos

Son aquellas que colocándose en un fuerte campo magnético, se imantan débilmente en la dirección del campo inductor (aluminio, platino, etc.).

Materiales diamagnéticos

Son aquellas que colocadas en un intenso campo magnético, se imantan débilmente en dirección contraria al campo inductor (cobre, cinc, mercurio, oro, plata, antimonio, etc.)

Por lo tanto a la hora de tener en cuenta un circuito magnético, se han de pensar que los materiales del mismo pueden afectar de manera directa a la reluctáncia magnética según el tipo de material.

En el siguiente capítulo veremos la inducción electromagnética. Ahora visita la sección de prácticas para aprender a medir y calcular los valores de los condensadores entre otras pequeñas prácticas.