Página | 1 Antología de Electricidad. Edson Abel Angles Enríquez. 14/09/20 Escuela Náutica Mercante: Cap. Alt. Fernando Silíceo y Torres. 1.C 1 Índice Unidad I Examen diagnostico electricidad Página | 2 Cuestionario electricidad 27 de agosto 1.1 Alfabeto griego 1.1.1 Significado 1.2 Leyes de los exponentes 1.2.1 Origen 1.2.2 Regla 1.3 Múltiplos y submúltiplos 1.3.1 Origen 1.3.2 Normas de aplicación 1.4 Electricidad 1.4.1 Origen 1.4.2 Corriente eléctrica 1.4.3 Campos magnéticos 1.4.4 Resistividad 1.5 Electrostática 1.5.1 Origen 1.5.2 Aislantes y conductores 1.6 Electrización 1.6.1 Frotamiento 1.6.2 Inducción 1.6.3 Contacto 1.7 Carga eléctrica 2 1.7.1 Origen 1.7.2 Coulomb 1.7.3 Ley de Coulomb Página | 3 1.7.4 Ampere 1.8 Átomo 1.8.1 Protón 1.8.2 Neutrón 1.8.3 Electrón 1.8.4 Composición del átomo 1.9 Campo Eléctrico 1.9.1 Origen 1.9.2 Principio de conservación de la carga 1.9.3 Densidad y fórmulas 1.10 Potencial eléctrico 1.10.1 Origen 1.10.2 Fórmula 1.10.3 Diferencia de potencial 1.11 Actividades Resumen video 1 Resumen video 2 Resumen video 3 Resumen video 4 Resumen video 5 3 Unidad ll 2.0 Pilas 2.1 Baterías y acumuladores Página | 4 2.2 Resistividad 2.3 Tipos de materiales 2.4 Cables de alambre 2.5 Diodo rectificador 2.6 Puente rectificador 2.7 Resistencias de un led 2.8 Ánodo 2.9 Catado 3.0 Neutrinos 3.1 Resumen del video de electrodinámica. 3.2 Resumen de video resistencia eléctrica. 3.3 Ejercicios de la ley de ohm 3.4 Resumen de resistencias serie en paralelo 3.5 Ejercicio 2 resistencia en paralelo 3.6 Ejercicio de circuitos. 3.7 Tipos de resistencias eléctricas 3.8 Resumen video de resistencias variables. 3.9 Reóstato 4.0 Termistor 4 Examen diagnóstico de electricidad. 1. Definición de electrostática Página | 5 Es la energía que se genera a través de objetos estáticos o en reposo. 2. Definición de electrodinámica Es la energía que se genera a través del movimiento de objetos o naturales, como la energía eólica. 3. Definición de electricidad Es una forma de energía que se provoca por el movimiento de electrones 4. ¿Cuántos tipos de electricidad hay? La eólica, solar, luminosa, mecánica, nuclear, térmica, cinética, potencial, química, hidráulica, hidrostática, hidrodinámica, sonora, química, mareomotriz, electromagnética, biomasa, hidroeléctrica, libre, magnética y calorífica. 5. ¿Qué Partículas componen un átomo? Por electrones, neutrones, protón y su núcleo. 6. ¿Qué carga tiene el electrón? Carga negativa. 7. ¿Qué es la Carga eléctrica? Es en el lugar donde se mueven los electrones y cargan al átomo. 8. ¿Qué carga tiene el neutrón? No tiene carga es neutra. 9. ¿Cuál es la unidad de medida de la carga eléctrica? Coulomb 10 ¿Qué es electrización? Es el ganar o perder cargas de energía en un cuerpo. 5 11. ¿de cuantas maneras se electriza un cuerpo? Por frotación, inducción y contacto Página | 6 12. ¿Cuáles son las leyes de la electrostática? La ley de coulomb, campo eléctrico y La ley de gauss. 13. ¿Qué dice la ley cualitativa? Habla sobre que las cargas diferentes se atraían y las iguales se repulsan. 14. Describa la ley de coulomb Describa la fuerza de dos cargas eléctricas en un lugar homogéneo. 15. ¿Qué es la constante de coulomb? No se 16. ¿Cuál es el valor de la constante de coulomb? No se 17. ¿Cómo define la Corriente eléctrica? Toda la electricidad que se conduce a través de algún objeto. 18. Constante dieléctrica No se 19. resistividad La resistencia de un material que conduce la electricidad. 20. Permitividad No se 21. ¿Cuál es la ley de ohm? Habla sobre los circuitos eléctricos 22. ¿Cuál es la unidad de medida del voltaje? Volt 6 23. ¿Qué es una resistencia? Es un objeto que sirve para resistir una cierta carga eléctrica todo dependiendo que resistencia sea. Página | 7 24. ¿Cuál es la unidad de medida de la resistencia? Es el ohmio 25. ¿Qué es la intensidad eléctrica? Es cuando una carga eléctrica se intensifica en un solo lugar u objeto 26. ¿Cuál es la unidad de medida de la intensidad? Amperios 27. Mencione 3 tipos de materiales usados en sistemas eléctricos El más usado cobre, hierro batido y aluminio. 28. ¿Qué es un circuito eléctrico? Es un objeto que se encarga de conducir la electricidad y llevarla a su destino final. 29. ¿Qué es un circuito en serie? Es un circuito que se conecta en la entrada y la salida se conecta en el siguiente circuito en la entrada y así sucesivamente 30. ¿Qué es un circuito en paralelo? Es un circuito que las terminales de entrada y de salida coinciden entre sí. 7 Cuestionario electricidad del 27 de agosto. 1. Definición de Electrostática Página | 8 La electrostática es la rama de la física que analiza los efectos mutuos que se producen entre los cuerpos como consecuencia de sus cargas eléctricas, es decir, el estudio de las cargas eléctricas en equilibrio. 2. ¿de qué partículas está constituido un Átomo? Electrón, protón y neutrón. 3. ¿de qué manera viajan los electrones en el átomo? Es bastante generalizada la creencia que los electrones viajan a través de los cables eléctricos a la velocidad de la luz, habitualmente la confusión proviene de mezclar dos conceptos el de la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas “que sí es la velocidad de la luz” y la velocidad de arrastre de los electrones que dan lugar a la corriente eléctrica en los conductores metálicos. 4. ¿Qué magnitud tiene un electrón? El electrón tiene una carga eléctrica de −1,6 × 10−19 C y una masa de 9,1 × 10-31 kg, que es aproximadamente 1.800 veces menor que la masa del protón o a la del neutrón. 5. ¿Qué magnitud tiene un protón? En física, el protón (del griego πρῶτον, prōton 'primero') es una partícula subatómica El electrón tiene una carga eléctrica de −1,6 × 10−19 C y una masa de 9,1 × 10-31 kg, igual en valor absoluto y de signo contrario a la del electrón, y una masa 1836 veces superior a la de un electrón. 6. Describa la masa y la carga de los electrones, protones y neutrones. El electrón tiene una carga eléctrica de −1,6 × 10−19 C y una masa de 9,1 × 10-31 kg, y protón El electrón tiene una carga eléctrica de −1,6 × 10−19 C y una masa de 9,1 × 10-31 kg, 8 7. ¿Cuándo un átomo tiene la misma cantidad de electrones y de protones, en que condición se encuentra ese átomo? Igualmente, si un átomo tiene carga negativa quiere decir que tiene más electrones que protones, o sea, que ganó electrones. Cuando un átomo está cargado se le llama ion. Página | 9 8. ¿Cuándo un átomo tiene más electrones que protones, en que condición se encuentra? si la carga es negativa se le llama anión. 9. ¿Cuándo un átomo tiene más protones que electrones, en que condición se encuentra? si la carga es positiva se le llama catión 10. ¿Qué es un ion? Un ion es una partícula cargada eléctricamente constituida por un átomo o molécula que no es eléctricamente neutro. Conceptualmente esto se puede entender como que, a partir de un estado neutro de un átomo o molécula, se han ganado o perdido electrones. 11. ¿a qué se le llama ionizar? La ionización es el fenómeno químico o físico mediante el cual se producen iones, estos son átomos o moléculas cargadas eléctricamente debido al exceso o falta de electrones respecto a un átomo o molécula neutra. 12. ¿Cuándo frota un globo inflado en la ropa y lo acerca a un montoncito de papelitos, que efecto se genera? Electrización 13. ¿Qué es fuerza eléctrica? La fuerza eléctrica es la que tiene lugar entre cargas eléctricas. Podemos hacer algunos experimentos para demostrar la existencia de fuerzas y cargas eléctricas. Por ejemplo, si frotamos un peine contra nuestro pelo, se observa que aquél atrae pedacitos de papel. 9 14. ¿de qué manera se genera una fuerza eléctrica? La fuerza eléctrica de repulsión entre cargas del mismo tipo, o de atracción entre las de distinto tipo, varía inversamente con el cuadrado de la distancia entre las cargas. En la próxima anotación veremos cómo se determinó la cantidad de carga y su influencia en la ley de la fuerza eléctrica. 15. ¿Qué es electrización? En física, se denomina electrización al efecto de ganar o perder cargas eléctricas, normalmente electrones, producido por un choque de partículas subatómicas. 16. Mencione los 3 tipos de electrización Inducción, frotación y contacto. 17. Describa el proceso de electrización por inducción Este efecto se emplea en la célula fotoeléctrica, donde los electrones liberados por un polo de la célula, el fotocátodo, se mueven hacia el otro polo, el ánodo, bajo la influencia de un campo eléctrico. 18. ¿Qué es carga eléctrica? La carga eléctrica es una propiedad física intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante fuerzas de atracción y repulsión entre ellas a través de campos electromagnéticos. 19. ¿Qué es flujo eléctrico? Es una magnitud escalar que representa el número de líneas de campo que atraviesan una determinada superficie. Su unidad en el Sistema Internacional es el newton por metro cuadrado y por culombio (N·m2/C). 20. Definición de electricidad La electricidad es el conjunto de fenómenos físicos relacionados con la presencia y flujo de cargas eléctricas. Se manifiesta en una gran variedad de fenómenos como los rayos, la electricidad estática, la inducción electromagnética o el flujo de corriente eléctrica. 10 Página | 10 21. ¿Qué es electricidad estática? El término electricidad estática se refiere a la acumulación de un exceso de carga eléctrica en un material conductor o aislante. 22. ¿Qué es electricidad dinámica? Página | 11 La electricidad dinámica se produce cuando existe una fuente permanente de electricidad que provoca la circulación permanente de electrones por un conductor. 23. ¿Qué es un efecto piezoeléctrico? La piezoelectricidad es un fenómeno que ocurre en determinados cristales que, al ser sometidos a tensiones mecánicas, en su masa adquiere una polarización eléctrica y aparece una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie. 24. ¿Qué es una línea toroide? Si tomamos un solenoide, lo curvamos y pegamos sus extremos obtenemos un anillo o toroide. Las líneas de campo magnético que en el solenoide son segmentos rectos se transforman en circunferencias concéntricas en el solenoide. El campo magnético es tangente en cada punto a dichas circunferencias. 25. ¿De qué manera se puede generar la electricidad? La manera de producir electricidad a partir de las fuentes de energía más importantes es esta: Carbón, petróleo y gas: La forma es muy sencilla, los quemamos, ya que desprenden mucha energía al entrar en combustión. Ese calor intenso genera vapor de agua que mueve una turbina que sirve para generar electricidad.6 11 1.1 Alfabeto Griego. El alfabeto griego es un alfabeto de veinticuatro letras utilizado para escribir la lengua griega. Desarrollado alrededor del siglo IX a. C. a partir del alfabeto consonántico fenicio, los griegos adoptaron el primer alfabeto completo de la historia, entendiéndolo como la escritura que expresa los sonidos individuales del idioma, es decir que prácticamente a cada vocal y cada consonante corresponde un símbolo distinto. Su uso continúa hasta nuestros días, tanto como alfabeto nativo del griego moderno como a modo de crear denominaciones técnicas para las ciencias, en especial la lógica, la matemática, la química, la física, la economía, la astronomía y la informática. 12 Página | 12 1.2 Leyes de los exponentes. Origen Página | 13 El concepto básico de los exponentes se remonta al menos hasta la antigua Grecia, cuando Euclides usó el término "potencia" para indicar el número de veces que un número debía multiplicarse por sí mismo. Un estudioso del siglo XIV, Nicolás Oresme, escribió números para indicar el uso de potencias en este sentido. Sin embargo, ninguno de estos primeros ejemplos del concepto usó la notación simbólica para expresar las matemáticas. El uso de los números elevados para señalar los exponentes data del siglo XVII. Hérigone usó símbolos como a3 para indicar a por a por a, aunque no elevó el exponente. El primero que utilizó los exponentes elevados fue David Hume, en1636, escribió números romanos (como III o IX). En 1637, Rene Descartes usó exponentes positivos escritos a la manera moderna. Los primeros usos de notación exponencial fueron invariablemente con exponentes positivos. Isaac Newton fue el primero que usó la notación moderna para un exponente negativo, en 1676. Nicolás Oresme utilizó exponentes fraccionarios en el siglo XIV, pero no con la notación moderna, que no aparecieron hasta Newton, en 1676.Los exponentes y su uso en la notación científica estuvieron limitados hasta el siglo XIX. En aquel momento, se convirtió en normativo escribir los números más grandes con la notación científica. Como consecuencia, los números, como el 8.900.000.000, pasaron a ser 8,9 por 10 elevado a 9. Este aumento en el uso se produjo como resultado directo de los estudios astronómicos y microscópicos que requerían números extremadamente altos o bajos. 13 Las leyes de los exponentes son el conjunto de reglas establecidas para resolver las operaciones matemáticas con potencias. La potencia o potenciación consiste en la multiplicación de un número por sí mismo varias veces, y se representan gráficamente de la siguiente manera: El número que se ha de multiplicar por sí mismo es llamado base y el número de veces por el que se ha de multiplicar es llamado exponente, el cual es más pequeño y debe situarse a la derecha y arriba de la base. Por ejemplo 14 Página | 14 1.3 Múltiplos y submúltiplos. En muchas ocasiones, y dado que carece de sentido expresar el resultado de una medida en la unidad correspondiente del Sistema Internacional, se recurre al empleo de múltiplos y submúltiplos. Página | 15 No tendría mucho sentido expresar la distancia entre la Tierra y la Luna en metros, ni tampoco sería adecuado utilizar esta unidad para medir el grosor de un cabello. La tabla adjunta contiene los múltiplos y submúltiplos del Sistema Internacional de Unidades. Puesto que hay medidas tan grandes y pequeñas, para facilitar los cálculos, las medidas suelen expresarse mediante lo que se conoce como notación científica. 15 Código de colores. El código de colores se utiliza en electrónica para indicar los valores de los componentes electrónicos. Es muy habitual en los resistores, pero también se utiliza para otros componentes como condensadores, inductores, diodos etc. Para saber el valor de una resistencia tenemos que fijarnos que tiene 3 bandas de colores seguidas y una cuarta más separada. Leyendo las bandas de colores, de izquierda a derecha, las 3 primeras bandas nos determinarán su valor, la cuarta banda nos indica su tolerancia, es decir, el valor + o – que el valor que puede tener por encima o por debajo del valor que marcan las 3 primeras bandas, la resistencia teórica. 16 Página | 16 Símbolos eléctricos. Página | 17 17 1.4 Electricidad. La electricidad es un conjunto de fenómenos producidos por el movimiento e interacción entre las cargas eléctricas positivas y negativas de los cuerpos físicos. Página | 18 La palabra “electricidad” procede del latín electrum, y a su vez del griego élektron, o ámbar. La referencia al ámbar proviene de un descubrimiento registrado por el científico francés Charles François de Cisternay du Fay, que identificó la existencia de dos tipos de cargas eléctricas (positiva y negativa). Las cargas positivas se manifestaban al frotar el vidrio, y las negativas al frotar sustancias resinosas como el ámbar. La energía producida por las cargas eléctricas puede manifestarse dentro de cuatro ámbitos: físico, luminoso, mecánico y térmico. Si bien la electricidad es abstracta o “invisible” en la mayoría de sus manifestaciones, como por ejemplo en el sistema nervioso del ser humano, es posible “verla” en ocasiones, como los rayos cuando se desarrolla una fuerte tormenta. La electricidad es una fuente de energía secundaria. Se denominan energías primarias8 las que se obtienen directamente de la naturaleza: solar, hidráulica, eólica, geotérmica, biomasa, petróleo, gas natural o carbón. Las energías secundarias provienen de la transformación de energía primaria con destino al consumo directo, o a otros usos: gasolina, electricidad, gasoil, fuel oil… Tipos de energía 18 1. Energía mecánica Este tipo de energía se asocia al movimiento y la posición de un objeto normalmente en algún campo de fuerza (por ejemplo, el campo gravitatorio). Se suele dividir en transitoria y almacenada. 2. Energía cinética Es un tipo de energía mecánica, que se asocia a los cueros que están en movimiento. Si no se mueve, no posee energía cinética. Depende de la masa y de la velocidad del cuerpo, es decir, cuanto más pesada es una cosa, y cuanto más rápido se mueve, más energía cinética tiene. Puede transferirse de un objeto a otro cuando los dos cuerpos se golpean. El viento al mover las aspas de un molino es energía cinética. 3. Energía potencial La energía potencial también es un tipo de energía mecánica, concretamente la energía almacenada. Para entender la diferencia entre la energía cinética y la potencial, puedes visualizar el vídeo que se presenta a continuación. 4. Energía gravitacional También es importante comprender la diferencia entre energía potencial y la energía gravitatoria. Cada objeto puede tener energía potencial pero la energía gravitacional se almacena solamente en la altura del objeto. Cada vez que un objeto pesado se mantiene alto, una fuerza o poder es probable que lo mantenga en equilibrio para que no caiga. 5. Energía sonora o acústica La música no solamente nos hace bailar, sino que el sonido también contiene energía. De hecho, el sonido es el movimiento de la energía a través de sustancias en ondas longitudinales. El sonido se produce 19 Página | 19 cuando una fuerza hace que un objeto o sustancia vibre y, por tanto, la energía se transfiere a través de la sustancia en una onda. 6. Energía eléctrica Página | 20 La materia está formada por átomos, que están compuestos por electrones que se mueven constantemente. El movimiento de estos electrones depende de la cantidad de energía que tiene, que es a lo que me refería con la energía potencial. Los seres humanos pueden provocar que estos electrones se muevan de un lugar a otro con medios especiales (materiales) llamados conductores, que transportar esta energía. No obstante, ciertos materiales no pueden transportar energía en esta forma, y se llaman aisladores. 7. Energía térmica La energía térmica se conoce como la energía que proviene de la temperatura de la materia. Cuanto más caliente esta una sustancia, más moléculas vibran y, por lo tanto, mayor es su energía térmica. 8. Energía química La energía química es la energía almacenada en los enlaces de los compuestos químicos (átomos y moléculas). Se libera en una reacción química, produciendo a menudo calor (reacción exotérmica). Las baterías, el petróleo, el gas natural y el carbón son ejemplos de energía química almacenada. Normalmente, una vez que la energía química es liberada de una sustancia, esa sustancia se transforma en una sustancia completamente nueva. 9. Energía magnética Es un tipo de energía que se origina en la energía que generan determinados imanes. Estos imanes crean campos magnéticos permanentes y así como energía que se puede utilizar en diferentes sectores. 20 10. Energía nuclear La energía nuclear es energía resultante de las reacciones nucleares y los cambios en los núcleos atómicos o de las reacciones nucleares. La fisión y la desintegración nucleares son ejemplos de este tipo de energía. 11. Energía radiante La energía radiante, también conocida como energía electromagnética que poseen las ondas electromagnéticas. Por ejemplo, cualquier forma de luz tiene energía electromagnética, incluyendo partes del espectro que no podemos ver. La radio, los rayos gamma, los rayos X, las microondas y la luz ultravioleta son otros ejemplos de energía electromagnética. 12. Energía eólica La energía eólica es un tipo de energía cinética que se obtiene a partir del viento. Se emplea para producir otro tipo de energía, principalmente energía eléctrica. Es un tipo de energía energía renovable, y el principal medio para obtenerla son los “molinos de viento” que pueden variar en su tamaño. 13. Energía solar La energía solar también es un tipo de energía renovable, que se obtiene mediante la captación de la luz y el calor emitidos por el Sol. Suelen emplearse paneles solares para su recaptación y existen dos tipos de energía solar: 14. Energía hidráulica 21 Página | 21 De nuevo, un tipo de energía renovable, que posee energía potencial gravitatoria y, si se deja caer, también contiene energía cinética, pues emplea el movimiento del agua para producir esta energía. Página | 22 15. Energía lumínica Es la energía transportada por la luz, pero no debe confundirse con la energía radiante, puesto que en esta última no todas las longitudes de onda comportan la misma cantidad de energía. La energía luminosa es capaz de broncear o quemar nuestra piel, por lo que puede emplearse, por ejemplo, para fundir metales. 1.4.2 Corriente eléctrica. De forma general, la corriente eléctrica es el flujo neto de carga eléctrica que circula de forma ordenada por un medio material conductor. Dicho medio material puede ser sólido, líquido o gaseoso y las cargas son transportadas por el movimiento de electrones o iones. Mas concretamente: En los sólidos se mueven los electrones. En los líquidos los iones. Y en los gases, los iones o electrones. Aunque esto es así, el caso más general de corriente eléctrica es el que se produce por el movimiento de los electrones dentro de un conductor, así que suele reservarse este término para este caso en concreto. La corriente eléctrica es el flujo de electrones entre dos puntos de un conductor que se encuentran a distinto potencial eléctrico. 22 1.4.3 Campos magnéticos. Un campo magnético es una idea que usamos como herramienta para describir cómo se distribuye una fuerza magnética en el espacio alrededor y dentro de algo magnético. [Explicación] La mayoría de nosotros estamos familiarizados con objetos magnéticos cotidianos y reconocemos que pueden existir fuerzas entre ellos. Comprendemos que los imanes tienen dos polos y que dependiendo de su orientación se atraen (polos opuestos) o se repelen (polos iguales), y sabemos que existe una región alrededor de ellos donde esto sucede. El campo magnético describe esta región. Típicamente representamos el campo magnético de dos maneras diferentes: [Explicación de algunos detalles. Describimos matemáticamente el campo magnético como un campo vectorial. Podemos representar directamente este campo como un conjunto de vectores dibujados en una cuadrícula. Cada vector apunta en la dirección en la que lo haría una brújula y su magnitud depende de la fuerza magnética. Una forma alternativa para representar la información contenida en un campo vectorial es por medio de las líneas de campo. En esta representación, omitimos la cuadrícula y conectamos los vectores con líneas suaves. Podemos dibujar tantas líneas como queramos. La descripción por medio de líneas de campo tiene algunas propiedades útiles: La líneas de campo magnético nunca se cruzan. Las líneas de campo magnético se amontonan de forma natural en las regiones donde el campo es más intenso. Esto significa que la densidad de líneas de campo indica la intensidad del mismo. Las líneas de campo magnético no comienzan ni terminan en algún lugar, siempre forman curvas cerradas y continúan dentro de un material magnético (aunque no siempre las dibujamos de esta forma). 23 Página | 23 Necesitamos una manera de indicar la dirección del campo. Para esto, a menudo dibujamos flechas sobre las líneas, aunque a veces no lo hacemos. En estos casos, debemos indicar la dirección de alguna otra forma. Por razones históricas, la convención es etiquetar una región como "norte" y otra como "sur" y dibujar solo las líneas que van de uno a otro "polo", así como suponer que las líneas van de norte a sur. Usualmente colocamos las etiquetas "N" y "S" en los extremos de una fuente de campo magnético, aunque, estrictamente hablando, esto es arbitrario y no hay nada especial sobre estas regiones. [Explicación de cómo funciona el campo magnético de la Tierra.] En el mundo real, podemos visualizar las líneas de campo de forma sencilla. Comúnmente lo hacemos con limadura de hierro esparcida alrededor de una superficie cercana a algo magnético. Cada partícula de la limadura se comporta como un pequeño imán con un polo norte y un polo sur. Las partículas de limadura naturalmente se separan unas de otras porque los polos similares se repelen. El resultado es un patrón semejante a las líneas de campo. Mientras que el patrón general siempre será el mismo, la posición exacta y la densidad de las líneas de limadura dependen de cómo caen sus partículas, su tamaño y sus propiedades magnéticas. 24 Página | 24 1.4.4 Resistividad La resistividad eléctrica hace referencia a un punto en específico del material. Así que lo que se busca definir es la densidad de corriente en el material resistivo causado por el campo eléctrico en el punto. Así que todos los materiales cuentan con una resistividad característica a temperatura ambiente. También, para facilitar las mediciones, se consideran materiales isotrópicos, es decir, tienen las mismas propiedades eléctricas en cualquier dirección. Con esto dicho, podemos definir la siguiente fórmula: ρ=E/J La anterior fórmula representa la resistividad con la letra griega "Rho" (ρ), en el numerador tenemos el campo eléctrico "E" y en el denominador la densidad de corriente "J". Si observamos bien, esta fórmula es muy similar a la ley de ohm, sólo que en lugar de voltaje usamos campo eléctrico, en lugar de corriente es la densidad de corriente y en lugar de resistencia es resistividad. La resistividad es una propiedad básica de los materiales que cuantifica la oposición del material al flujo de corriente. Está directamente relacionada con las vibraciones de las partículas internas, la composición atómica, y otras variables microscópicas. Cuando elevamos la temperatura de un material los átomos ganan energía interna (energía cinética) lo que produce una mayor probabilidad de choques entre ellas. Este fenómeno se traduce en el macro mundo como un aumento en la resistividad. Es importante mencionar que la resistividad es el recíproco de la conductividad. La resistividad, también conocida como resistencia específica de un material se mide en ohmios por metro (Ω•m). 25 Página | 25 La resistividad describe el comportamiento de un material frente al paso de corriente eléctrica, por lo que da una idea de lo buen o mal conductor que es. Un valor alto de resistividad indica que el material es mal conductor mientras que uno bajo indicará que es un buen conductor. Página | 26 Es importante decir que la resistencia eléctrica se deduce a partir de la resistividad eléctrica de un material, ya que la resistencia es la propiedad de un objeto y la resistividad de un material. Sin embargo, la definición de resistencia eléctrica se discutirá en otra entrada del blog. Algunos valores de resistividad a temperatura ambiente se muestran en la siguiente tabla: Material Resistividad ρ (Ω•m) Plata 1.62x10-8 Cobre 1.69x10-8 Oro 2.35x10-8 Aluminio 2.75x10-8 Tungsteno 5.25x10-8 Hierro 9.68 x10-8 Platino 10.6x10-8 26 1.5 Electrostática. La electrostática es la rama de la física que analiza los efectos mutuos que se producen entre los cuerpos como consecuencia de sus cargas eléctricas, es decir, el estudio de las cargas eléctricas en equilibrio. La carga eléctrica es la propiedad de la materia responsable de los fenómenos electrostáticos, cuyos efectos aparecen en forma de atracciones y repulsiones entre los cuerpos que la poseen. Históricamente, la electrostática fue la primera rama del electromagnetismo en desarrollarse. Con la postulación de la ley de Coulomb fue descrita y utilizada en experimentos de laboratorio a partir del siglo XVII, y ya en la segunda mitad del siglo XIX las leyes de Maxwell concluyeron definitivamente su estudio y explicación, y permitieron demostrar cómo las leyes de la electrostática y las leyes que gobiernan los fenómenos magnéticos pueden ser analizadas en el mismo marco teórico denominado electromagnetismo. 27 Página | 27 1.6 Electrización. 1 ELECTRIZACIÓN POR FROTAMIENTO Página | 28 Al frotar un cuerpo fuertemente con un paño, este se carga positiva o negativamente dependiendo de su tendencia a perder o ganar electrones respectivamente. Por ejemplo, al frotar una barra de vidrio, ésta se cargará positivamente. 2 ELECTRIZACIÓN POR CONTACTO Cuando un cuerpo cargado se pone en contacto con otro, la carga eléctrica se distribuye entre los dos y, de esta manera, los dos cuerpos quedan cargados con el mismo tipo de carga. La figura muestra un electroscopio. Al tocar con un cuerpo cargado la esfera superior, la carga penetra hasta las láminas, éstas al adquirir la misma carga se repelen y se separan. 3 ELECTRIZACION POR INDUCCION Este efecto se emplea en la célula fotoeléctrica, donde los electrones liberados por un polo de la célula, el fotocátodo, se mueven hacia el otro polo, el ánodo, bajo la influencia de un campo eléctrico. 28 Resumen del video 3 CLASE 3: ELECTROESTÁTICA Página | 29 Electroestática es el estudio de las propiedades e interacciones entre los cuerpos electrizados en reposo. Carga eléctrica (q) es una magnitud que nos indica el exceso o defecto de electrones (e-) que se manifiesta después de una interacción. partículas elementales básicas PARTÍCULA CARGA MASA Electrón -1.6x10-19 C 9.11X10-31 Kg Protón 1.6X10-19 C 1.67x10-27 kg Neutrón 0 1.67x10-27 kg Tipos de electrización • Frotamiento: dos cuerpos eléctricamente neutros • Contacto: dos cuerpos conductores • Inducción: un cuerpo electrizado y un cuerpo neutro Propiedades de la carga eléctrica • Cuantificación • Conservación de la carga • Invariante Leyes electroestáticas: • Ley cualitativa: cargas de signo igual se repelen, cargas de signo diferente se atraen. (de calidad) • Ley cuantitativa o ley de coulomb: la fuerza de atracción o de repulsión electroestática son directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadro de la distancia que las separa. (de cantidad) 29 Electróforo. En la física experimental, el electróforo es un generador de electricidad estática de tipo capacitivo formado por un condensador de plato simple, operado manualmente. Produce cargas electrostáticas mediante un proceso de inducción electrostática. 30 Página | 30 1.7 Cargas eléctricas. La carga eléctrica es una propiedad física intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante fuerzas de atracción y repulsión entre ellas a través de campos electromagnéticos. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos, siendo, a su vez, generadora de ellos. PROPIEDADES DE LA CARGA ELÉCTRICA • Es una magnitud cuantizada, lo que quiere decir que cualquier cuerpo es siempre un múltiplo del valor de “e”. (e = 1.602x10-19 culombios) • Las cargas eléctricas ni se crean ni se destruyen. • Las cargas iguales se rechazan y las distintas se atraen. 31 Página | 31 Resumen del video 2 CLASE 2: FUERZA ELÉCTRICA Página | 32 En el video, se observa como un pedazo de cinta se carga negativamente al solo frotar de abajo hacia arriba con los dedos, es decir favorecer el desplazamiento de los electrones, después se procede a frotar un globo con la ropa que gana electrones y al acercarlo a la cinta se puede observar que exista una fuerza de repulsión, ya que tanto el globo como la cinta tienen carga negativa. Es necesario recordar lo que dice la ley de las cargas “Cargas de igual signo se repelen, mientras que las de diferente signo se atraen” Ley de Coulomb “Cuando existe una carga llamada “q1” de carga positiva y otra carga llamada “q2” de carga negativa, la fuerza de atracción es directamente proporcional a la magnitud de sus cargas e inversamente proporcional al cuadro de su distancia”. Cualquier par de cargas que hay en el universo generar fuerza de atracción o repulsión. 32 1.7.3 Ley de coulomb La ley de Coulomb, nombrada en reconocimiento del físico francés Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806), que enunció en 1785 y forma la base de la electrostática, puede expresarse como: Página | 33 La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con las que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario. Constante de Coulomb La constante K es la Constante de Coulomb y su valor para unidades SI es Unidades.png Nm²/C². Cuando el medio que rodea a las cargas no es el vacío hay que tener en cuenta la Constante dieléctrica y la Permitividad del material. La ecuación de la ley de Coulomb queda finalmente expresada de la siguiente manera: En concreto para el vacío k es aproximadamente 9·109 N·m2/C2 utilizando unidades en el S.I. 33 1.7.4 Ampere El término ampere es sinónimo de amperio: una unidad del Sistema Internacional que refleja la intensidad de la corriente eléctrica. Un ampere equivale a la intensidad que tiene la corriente cuando, al pasar por dos conductores rectilíneos distantes entre sí a un metro en el vacío, con una sección circular que resulta despreciable y dispuestos de forma paralela, genera en ambos conductores de longitud infinita una fuerza correspondiente a dos diezmillonésimas de newton por metro de conductor. El concepto de ampere procede del nombre de André-Marie Ampere, un físico y matemático nacido el 20 de enero de 1775 en la ciudad francesa de Lyon y fallecido el 10 de junio de 1836 en Marsella. Ampere postuló los fundamentos teóricos del electromagnetismo, desarrolló el electroimán con otro científico llamado François Aragón y creó el telégrafo eléctrico. 34 Página | 34 Página | 35 35 Página | 36 36 Página | 37 37 Página | 38 38 Página | 39 39 Página | 40 40 1.8 Campo eléctrico Al introducir una carga en el espacio esta crea en su entorno un área de influencia de tal forma que si introducimos otra carga testigo en dicha área sufrirá la acción de una fuerza eléctrica debido a la ley de Coulomb. Página | 41 Campo eléctrico es la perturbación que genera una carga eléctrica en el espacio que le rodea. Diferencia entre acción a distancia y campo En ocasiones se suelen confundir los conceptos de acción a distancia y campo, sin embargo, existen diferencias sustanciales que deben tenerse en cuenta: Acción a distancia. En una acción a distancia una partícula actúa directa e instantáneamente sobre otra partícula sin que le medio que les rodea intervenga. Campo. En un campo, la partícula perturba las propiedades del espacio que le rodea. Los valores de dichas propiedades dependen de la posición y definen el campo. Esto hace que sea directamente el campo el que interactúe con una partícula lejana que se introduzca en el espacio del campo. Por tanto, la interacción que se produce no es instantánea como ocurre en la acción a distancia y la velocidad de propagación es finita. Propiedades que definen el campo eléctrico Los campos eléctricos vienen determinados en cada posición por el valor de la intensidad de campo y el potencial eléctricos. En concreto, la intensidad de campo eléctrico en cada punto ofrece una visión dinámica de la interacción electrostática y el potencial eléctrico una visión desde un punto de vista energético. 41 Página | 42 42 Resumen del video del campo eléctrico. Si se pone una carga puntual positiva en cualquier punto existen dos vectores: 1. Vector “fuerza eléctrica” de repulsión F. 2. Vector “campo eléctrico” E. Página | 43 Líneas de campo eléctrico para una carga puntual positiva Líneas de campo eléctrico para una carga puntual negativa DIPOLO: Aparece cuando una carga puntual (q) positiva y otra carga puntual (q) negativa de la misma magnitud. Existe una fuerza de repulsión y una de atracción. 43 Resumen del video de campo eléctrico Intensidad del campo eléctrico. Página | 44 CAMPO ELÉCTRICO: Es aquella región de espacio que rodea a una carga eléctrica y que está conformada por materia, pero en estado disperso. Este campo funciona como un transmisor mediante el cual una carga interacciona con otra que está a su alrededor. CARGA DE PRUEBA: Es la que se utiliza para medir la interacción entre dos cargas y siempre es positiva. INTENSIDAD DEL CAMPO ELÉCTRICO (E): Sirve para cuantificar la fuerza, pero con la que actúa el campo eléctrico sobre un cuerpo cargado. E = KQ/d2 LÍNEAS DE FUERZA: Son líneas imaginarias creadas por Michael Faraday para representar el campo eléctrico. • Comienzan con las cargas positivas y terminan en las cargas negativas. • El vector campo eléctrico es tangente a las líneas de fuerza. • Las líneas nunca se cortan. 44 Página | 45 45 1.10 Potencial Eléctrico. Si introducimos una carga q' en el seno de un campo eléctrico, la carga sufrirá la acción de una fuerza eléctrica y como consecuencia de esto, adquirirá cierta energía potencial eléctrica (también conocida como energía potencial electrostática). Si lo vemos desde una perspectiva más simple, podemos pensar que el campo eléctrico crea un área de influencia donde cada uno de sus puntos tienen la propiedad de poder conferir una energía potencial a cualquier carga que se sitúe en su interior. A partir de este razonamiento, se establece una nueva magnitud escalar propia de los campos eléctricos denominada potencial eléctrico y que representa la energía potencial electrostática que adquiere una unidad de carga positiva si la situamos en dicho punto. El potencial eléctrico en un punto del espacio de un campo eléctrico es la energía potencial eléctrica que adquiere una unidad de carga positiva situada en dicho punto. V=Ep/q' El hecho de que todas las magnitudes sean escalares permite que el estudio del campo eléctrico sea más sencillo. De esta forma, si conocemos el valor del potencial eléctrico V en un punto, podemos determinar que la energía potencial eléctrica de una carga q situada en él es: Ep=V⋅q 46 Página | 46 Resumen del potencial eléctrico. POTENCIAL ELÉCTRICO: Indica el trabajo que hay que hacer sobre unidad de carga que se debe realizar sobre una carga de prueba. Es una magnitud escalar Página | 47 V=W---P/q SUPERFICIES EQUIPOTENCIALES: Cuentan con el mismo potencial eléctrico y el trabajo es nulo. Potencial eléctrico para una carga esférica puntual VA=K Q/d DIFERENCIA DE POTENCIAL: Es el trabajo que se debe realizar para llevar una carga de prueba de un punto “A” hasta otro punto “B” pero dentro de un campo eléctrico. WAB=q0(VA-VB) W---P= VP* q0 Potencial eléctrico de una esfera conductora hueca • Puntos dentro de la esfera y superficie: VA=VB=VC • V=K q/R Puntos fuera de la esfera VD=K q/d 47 Página | 48 48 Página | 49 49 2.0 Pilas Página | 50 ¿Qué es una Pila? Una pila es un dispositivo que convierte energía química en energía eléctrica; por un proceso químico transitorio, tras de lo cual cesa su actividad y han de renovarse sus elementos constituyentes, puesto que sus características resultan alteradas durante el mismo. Tipos de pilas Pilas primarias: son aquellas pilas comunes, generalmente cilíndricas, de carbón-zinc, litio y las alcalinas. Estas pilas no pueden ser recargadas, ya que se basan en sistemas electroquímicos irreversibles. Se ha legislado, y en base a eso, bajado la concentración de Mercurio de estas pilas, pero de igual manera conservan grados de toxicidad que se potencian si las acumulamos y las tiramos todas juntas a la basura. Pilas secundarias: pueden recargarse externamente dado que están basadas en sistemas reversibles. En la mayoría de los casos están compuestas por ácidos, álcalis, sales irritantes y metales. Pilas ‘Botón’: Estas aún cuentan con altas concentraciones de mercurio. Pilas según su contenido óxido de mercurio: empleadas en audífonos y otros aparatos de electromedicina. Contienen más de un 30% de mercurio y son las más perjudiciales. níquel-cadmio: se utilizan en relojería, fotografía, teléfonos inalámbricos, móviles etc. Son muy peligrosas sobre todo si son incineradas, ya que la inhalación de cadmio es cancerígena. 50 litio: producen 3 veces más energía que las pilas alcalinas y contaminan menos que las de mercurio. alcalinas (Zn/MnO2), (Zn/C), (Zn/aire): se usan en radios, juguetes, flashes, teléfonos, mandos a distancia, relojes... Casi todas están blindadas, pero el blindaje no tiene una duración ilimitada. baterías plomo/ácido: se utilizan en los vehículos y están fabricadas con pilas constituidas por un ánodo de plomo, un cátodo de óxido de plomo y ácido sulfúrico. 51 Página | 51 2.1 Baterías y acumuladores. En los últimos 50 años, la humanidad ha sido testigo de increíbles avances que poco a poco han ido haciendo nuestra vida más fácil. Es por ello por lo que en la actualidad estamos rodeados por todas partes de aparatos eléctricos que usamos a cada minuto casi sin darnos cuenta. No obstante, estos aparatos deben su uso a la electricidad, su fuente de alimentación para poder seguir funcionando. Para ello hoy contamos con distintos tipos de baterías y acumuladores gracias a los cuales podemos cargar nuestros aparatos eléctricos y poder prescindir de cables. Las baterías y acumuladores diferencias. Pero, aunque ambos tienen la misma finalidad que es contribuir en la alimentación de los distintos aparatos eléctricos, podemos apreciar ciertas diferencias entre ellos. Para empezar mientras que las baterías están compuestas por elementos minerales que generan energía a través de diversas reacciones químicas, los acumuladores son inertes, es decir, no realizan ningún proceso químico. Por otro lado, cabe, destacar que los acumuladores cuentan con grandes ventajas frente a las baterías ya que su producción resulta más barata, segura y rentable. Además de no contaminar porque, como ya hemos dicho, no realiza ningún proceso químico. Es por ello por lo que no es necesario llevarlo a un punto de gestión de residuos cuando ya no van a ser usados o cuando pierden sus propiedades. En cualquier caso, no todo son ventajas, el propio sistema de funcionamiento de los acumuladores es su punto débil pues todavía no se ha logrado que la liberación de la energía se produzca de una 52 Página | 52 manera eficiente y sin escapes. En el caso de las baterías, su talón de Aquiles es que funcionan por concentración de energía por lo que tienen una vida limitada y van perdiendo propiedades y rendimiento con el uso. Página | 53 El futuro de los acumuladores rendimiento y eficacia para la mejoría de las herramientas eléctricas. Es por ello por lo que los departamentos de I+D de los grandes fabricantes investigan constantemente con el objetivo de poder conseguir mejores aparatos para poder ser suministrados en las tiendas de ferretería, las empresas de venta de suministros industriales y de herramientas para facilitar el trabajo tanto a empresas como a particulares. En el caso de la industria de la energía eléctrica, una de las bases de su investigación es el hecho de mejorar en aparatos que puedan realizar cargas rápidas y que den respuesta a todos los inconvenientes que provocan la duración de las baterías y acumuladores. La prueba de ello lo tenemos en la compañía Far grupo que ha logrado crear un destornillador eléctrico sin cables y sin batería. La clave está en el uso de una nueva tecnología que se encarga de mantener la energía necesaria dentro de los propios condensadores para realizar el trabajo de un destornillador convencional, pero de una manera más cómoda y rápida. La principal ventaja de este tipo de alimentación es que es en realidad rápida, pues solamente se necesitan 40 segundos para poder realizar la carga al completo. Y aunque aún puede mejorarse mucho, esta innovadora herramienta es capaz de atornillar 25 tornillos una vez cargada. Pero además de ser rápido, también es ecológico, pues al no disponer de una batería como fuente de alimentación no es necesario 53 reciclarla. Por no hablar de que tiene una vida útil de 500.000 cargas, el equivalente a 12.500.000 tornillos. No obstante, se trata aún de un tímido comienzo en este tipo de tecnología, ya que, como podemos ver, la potencia que puede conseguirse es aún baja y su rendimiento en limitado. Página | 54 54 2.2 Resistividad. La resistividad o resistencia específica es una característica propia de los materiales y tiene unidades de ohmios–metro, y nos indica que tanto se opone el material al paso de la corriente eléctrica. La resistencia específica [ρ] (rho) se define como: ρ = R *A / L . donde: A es el área transversal medida en metros al cuadrado (m2) ρ es la resistividad medida en ohmios-metro L es la longitud del material medida en metros R es el valor de la resistencia eléctrica en ohmios De la anterior fórmula se puede deducir que el valor de un resistor / resistencia, elemento utilizado normalmente en electricidad y electrónica, depende en su construcción, de la resistencia específica (material con el que fue fabricado), su longitud, y su área transversal. Despejando el valor de la resistencia R en la formula anterior se obtiene: R = ρ*L/A 55 Página | 55 Si analizamos la fórmula se deduce que: • A mayor longitud y menor área transversal del elemento, más resistencia • A menor longitud y mayor área transversal del elemento, menos resistencia En la siguiente Tabla se muestran los valores típicos de resistividad de varios materiales a 23 °C: La resistividad depende de la temperatura La resistividad no es un valor que se mantiene constante con la variación de la temperatura. La resistencia específica de los metales aumenta al aumentar la temperatura, al contrario de los semiconductores en donde este valor decrece. El inverso de la resistividad o resistencia específica se llama conductividad (σ) [sigma] , y la fórmulas es: σ = 1/ρ = 1/(resistividad). 56 Página | 56 2.3 Tipos de materiales. CONDUCTORES El comportamiento de un objeto que se ha cargado depende de si el objeto está hecho de un material conductor o un material no conductor o aislante. En El log verde os queremos explicar la diferencia entre ambos, con ejemplos y toda la información al respecto. Es muy importante saber diferenciar entre los materiales que son conductores y los que no, porque si nos equivocamos a la hora de elegir un material, podemos provocar que nuestra idea no funcione o peor aún, sufrir algún tipo de daño físico. Los conductores son aquellos materiales que permiten que los electrones fluyan libremente de partícula a partícula. Un objeto hecho de un material conductor permitirá que se transfiera una carga a través de toda la superficie del objeto. Si la carga se transfiere al objeto en un lugar determinado, esta se distribuye rápidamente a través de toda la superficie del objeto. La distribución de la carga es el resultado del movimiento de electrones. Los materiales conductores permiten que los electrones sean transportados de partícula a partícula, ya que un objeto cargado siempre va a distribuir su carga hasta que las fuerzas de repulsión globales entre electrones en exceso se reduzcan al mínimo. De este modo, si un conductor cargado es tocado a otro objeto, el conductor puede incluso transferir su carga a ese objeto. 57 Página | 57 Aislantes Es un material con escasa capacidad de conducción de la electricidad, utilizado para separar conductores eléctricos evitando un cortocircuito y para mantener alejadas del usuario determinadas partes de los sistemas eléctricos que de tocarse accidentalmente cuando se encuentran en tensión pueden producir una descarga. El comportamiento de los aislantes se debe a la barrera de potencial que se establece entre las bandas de valencia y conducción que dificulta la existencia de electrones libres capaces de conducir la electricidad a través del material. Para más detalles ver semiconductor. Los materiales empleados como "aislantes" siempre conducen algo la electricidad, pero presentan una resistencia al paso de corriente eléctrica hasta 2,5 × 1024 veces mayor que la de los buenos conductores eléctricos como la plata o el cobre. Un buen aislante apenas posee electrones permitiendo así el flujo continuo y rápido de las cargas. En los circuitos eléctricos normales suelen usarse plásticos como revestimiento aislante para los cables. Los cables muy finos, como los empleados en las bobinas (por ejemplo, en un transformador), pueden aislarse con una capa delgada de barniz. El aislamiento interno de los equipos eléctricos puede efectuarse con mica o mediante fibras de vidrio con un aglutinador plástico. En los equipos electrónicos y transformadores se emplea en ocasiones un papel especial para aplicaciones eléctricas. Las líneas de alta tensión se aíslan con vidrio, porcelana u otro material cerámico. 58 Página | 58 RESÚMEN VIDEO MATERIALES Y SEMICONDUCTORES Conductores Página | 59 Son materiales cuyos átomos poseen menos de 4 electrones en su capa de valencia. Por ejemplo, el cobre. Material que ofrece poca resistencia al flujo de carga. • Finalidad: Transmitir la corriente en un circuito eléctrico. Aislantes Son materiales cuyos átomos tienen más de 4 electrones en su capa de valencia. Por ejemplo, el oxígeno. Material que se resiste al paso de cargas eléctricas y las retiene. • Finalidad Evitar fugas de corriente y corto circuito. Semiconductores Se comporta como conductor o aislante. Dopaje Agregar impurezas (electrones o huecos) para que pase la corriente eléctrica. 59 2.4 Cables de alambre Página | 60 60 2.5 Diodo rectificador. Diodo rectificador. Sean semiconductores de estado sólido, válvulas al vacío o válvulas gaseosas como las de vapor de mercurio, son tipos de diodo que constituyen el elemento o circuito que permite convertir la corriente alterna en corriente continua. 1. Rectificador de media onda Cuando la tensión vS de la fuente es positiva, el sentido de la corriente es favorable y se produce la circulación, por lo cual suponiendo el diodo ideal (y por lo tanto sin caída de tensión), será vL = vS. 61 Página | 61 Cuando, en cambio, vS < 0, el diodo no conduce y entonces vL = 0. Esto se ilustra en la figura 2 para una típica señal senoidal. Se ha indicado tanto la tensión en la carga como la corriente que circula por ella y por la fuente (la tensión y las corrientes en este caso difieren únicamente en un factor de escala). Invirtiendo el diodo se logra una tensión negativa.4 2. Rectificador de onda completa con Transformador en Toma Central. 3. Rectificador de onda completa en Puente de Graetz 62 Página | 62 2.6 Puente rectificador. El puente rectificador es un circuito electrónico usado en la conversión de corriente alterna en corriente continua. Se compone de 4 diodos, suelen ser diodos rectificadores dado que estos al aplicar una tensión eléctrica positiva del ánodo respecto a negativa en el cátodo (polarización directa) toma las características de un diodo rectificador básico, al conectarlos según el siguiente esquema: 63 Página | 63 2.7 Resistencia de un Led. Tutorial para calcular la Resistencia de LED. ¿Cómo saber cuál Resistencia de un LED? En este tutorial se tratará de añadir protección por corriente a un diodo led. Para este motivo se utiliza una resistencia en serie, cuya función es limitar a la corriente. Si no se coloca puede dañar irreparablemente al LED. Además, para la corriente que pasa por este, sea la adecuada y así que su diferencia de potencial sea la que recomienda el fabricante y evitar la sobre tensión. Es por esto por lo que requerimos saber calcular la Resistencia de LED. Un LED es de mucha utilidad y existen en variedad, distintas gamas, formas, tamaños, colores. Los colores dependen del material que interviene en su fabricación. La composición del material semiconductor determina el color y la energía requerida por el LED. Como calcular la resistencia de un led Para calcular la resistencia de un LED, debes saber que todos los circuitos electrónicos se llevan tras la ley conocida como ley de Ohm. Esta establece que la caída de voltaje de un elemento del circuito es igual a la intensidad (corriente) que circula por él, multiplicado por resistencia que cada componente ejerza al paso de esta corriente. V=I*R Donde: R=Resistencia de LED 64 Página | 64 V=Voltaje I=intensidad (corriente) Página | 65 La fuente proporciona el voltaje a trabajar en el circuito conectado (batería, pila…) la resistencia la mayoría de los componentes al paso de la intensidad (entre estos el LED). A continuación, se mostrarán los valores estándares de cada LED. Para el ejemplo se utilizará un LED rojo de 5mm. Por lo tanto, sus especificaciones van de una diferencia de potencial en el diodo de 1.8v-2.3v y una corriente funcional del diodo de 20mA. Para el cálculo de la Resistencia de LED se utilizará la siguiente ecuación. Para la cual forzamos la corriente a ser la requerida mediante una resistencia. V – Vled = I x R 65 R = (Vfuente – Vled) / I Página | 66 A continuación, se proseguirá a realizar los cálculos pertinentes para saber la resistencia adecuada para el LED sustituyendo los valores conocidos, por otra parte se verá la diferencia al cambio de el voltaje proporcionado por la fuente. Para lo cual estamos hablando de 12v, 9v, y 5v. Y tomando una intensidad de 20mA. R1= (12V-1.8V) /20mA = 510 ohm R2= (9V-1.8V)/20mA = 360 ohms R3= (5V-1.8V)/20mA = 160 ohms 66 2.8 Ánodo. El ánodo es conocido como el electrodo responsable de la reacción de oxidación de los elementos. Un gran error que fue desarrollado es pensar en que su polaridad es eternamente positiva. La mayoría de las veces este concepto es erróneo ya que dependiendo del dispositivo utilizado la polaridad puede variar y a esto se le suma el modo en que trabaja teniendo en cuenta el flujo y la dirección de la corriente eléctrica. Poniendo las cosas un poco más claras, el ánodo es positivo si absorbe energía y negativo cuando la suministra. 67 Página | 67 2.9 Cátodo. Cátodo. Es el electrodo negativo, donde los iones (átomos cargados eléctricamente) que se dirigen del ánodo (electrodo positivo) al cátodo, reciben el nombre de cationes, y los iones que se dirigen del cátodo al ánodo tienen el nombre de aniones. En griego antiguo (kathodos) significa: camino hacia abajo, pero Faraday la utilizó para referirse a un electrodo con carga negativa del cual fluye la corriente. Un error muy extendido es pensar que la polaridad del cátodo es siempre negativa (-). La polaridad del cátodo depende del tipo de dispositivo, y a veces incluso en el modo que opera, según la dirección de la corriente eléctrica, basado en la definición de corriente eléctrica universal. En consecuencia, en un dispositivo que consume energía el cátodo es negativo, y en un dispositivo que proporciona energía el cátodo es positivo. 68 Página | 68 3.0 Neutrinos. El neutrino es una partícula que siempre ha sido muy misteriosa porque es muy difícil de detectar. Se trata de una partícula elemental subatómica que tiene una masa muy, muy pequeña, un espín de un medio, y no tienen carga, por eso se llaman neutrinos porque son neutras. Con estas características es muy raro que interaccionen con la materia y por eso son tan complicadas de encontrar ya que atraviesan la materia igual que la luz atraviesa un cristal. Y como tienen esa masa tan pequeña, de hecho, al principio se creía que no tenían masa, se mueven a velocidades cercanas a la de la luz. Página | 69 Los neutrinos surgen en procesos nucleares: en el Big Bang, en los núcleos de las estrellas y también en los aceleradores de partículas. De las cuatro fuerzas fundamentales que existen en el universo: electromagnética, gravitatoria, débil y fuerte, los neutrinos solo se ven afectados por la gravitatoria de una manera pequeñísima y la débil. Al no tener carga no interaccionan con la fuerza electromagnética y tampoco interaccionan con la fuerza fuerte. Al principio, el neutrino fue solo una hipótesis. Se conocía la desintegración beta que es la que se produce cuando en los núcleos inestables hay un cambio en la relación de neutrones y protones. Los núcleos están formados por neutrones y protones, pero cuando se desintegran a veces emiten una partícula y el neutrón puede pasar a protón y al protón a neutrón. Pero la desintegración beta no cumplía la ley de conservación de la energía que es una ley fundamental de la física. El investigador austriaco Wolfgang Pauli propuso en 1930 la idea de que había una partícula que no tenía carga, y él pensaba que también una masa despreciable, y que era la que se llevaba la parte de energía que faltaba. La llamó neutrino. Era solo una hipótesis y de hecho él mismo escribió que lo que acababa de proponer era algo que no se iba a 69 poder demostrar nunca. Sin embargo, en 1956 se construyó un detector de neutrinos y se confirmó su existencia. Pero ocurría que en aquel detector se contaban muy pocos neutrinos, alrededor de un tercio de lo que calculaba que podía haber. Y eso era porque hay tres tipos de neutrinos y solo detectaban uno. En la desintegración beta un neutrón se desintegra en un protón y emite un electrón y un antineutrino, y ese antineutrino es el que hace que se conserve la energía. Si la reacción es con el protón, lo que emite es un neutrón y un positrón, es decir, un electrón con carga positiva, y un neutrino. En esas reacciones que se producen en los núcleos inestables no varía la suma total de neutrones y protones, lo que varía es la relación entre ellos. O sea la sumatoria de n + p sería constante pero subiría el número de neutrones y bajaría el de protones o al revés. 70 Página | 70 3.1 Resumen del video de electrodinámica. Electrodinámica: Es el estudio de los fenómenos producidos por las cargas eléctricas en movimiento • Electro: Carga eléctrica • Dinámica: Movimiento Página | 71 Corriente eléctrica: Flujo de electrones a través de un conductor con causa al campo eléctrico y la diferencia de potencial. Intensidad de corriente: Cantidad de carga que pasa por la sección recta de un conductor en unidad de tiempo. I= q/t q=I t Resistencia eléctrica: oposición que ofrece un conductor al paso de la corriente Ley de ohm: Todo conductor metálico a una temperatura constante, la diferencia entre dos puntos es directamente proporcional a la intensidad de corriente. Circuito eléctrico: Es el recorrido o conjunto de recorridos cerrados que siguen las cargas eléctricas formando una o varias corrientes. Resistencia equivalente: Es aquella resistencia que reemplaza a un conjunto de resistencias produciendo el mismo efecto. Asociación de resistencias • Serie I= I1=I2=I3 V= V1+V2+V3 Req= R1+R2+R3 71 • Paralelo I= I1+I2+I3 V= V1=V2=V3 Página | 72 Req= 1/R1+1/R2+1/R3 Fuente de fuerza electromotriz: La energía química, magnética, mecánica que se convierte en energía eléctrica con la cual se realiza trabajo sobre las cargas eléctricas. Trabajo de una fuente W=Eq Potencia eléctrica: Cantidad de energía que suministra o consume un dispositivo eléctrico en una unidad de tiempo.4 P=VI P=I2R P=V2/R Potencia: Watts (W) Voltaje: Voltios (V) Intensidad: Amperios (A) Efecto Joule: La energía consumida por una resistencia se transformará completamente en calor. Q= VI*t Q=Pt Q=I2R*t Q=V2/R * t Q= Efecto joule (J) T= Tiempo (s) 1J= .24 calorías Q=.24Pt 72 Leyes de Kirchhoff 1. Ley de nudos o de las corrientes: La suma de corrientes que llegan a un nudo es igual a la suma de corrientes que salen. Página | 73 ∑ Ientran=∑ Isalen 2. Ley de mallas o de los voltajes La suma algebraica de las fuentes en una malla es igual a la suma de la caída de potencial en cada resistencia de las mallas. ∑ V= ∑ IR Fuente Caída de potencial 73 Página | 74 74 Página | 75 75 Página | 76 76 3.2 Resumen de video resistencia eléctrica. Es la oposición que ofrece un conductor al paso de la corriente Página | 77 I= q/t Componente electrónico diseñado para introducir una resistencia eléctrica determinada entre dos puntos de un circuito eléctrico. 77 3.3 Ejercicios de la ley de ohm. Página | 78 78 Página | 79 79 3.4 Resumen de resistencias serie en paralelo Página | 80 RESÚMEN VIDEO RESISTENCIAS SERIE-PARALELO Circuito en serie Se conforma solo cuando un extremo de la resistencia se conecta a otro extremo de otra resistencia. Circuito en paralelo Se conforma solo cuando los dos extremos de las resistencias se conectan a otros dos extremos de otra resistencia. NOTA: No se conforma como un circuito en serie cuando en el medio de las resistencias se encuentra un nodo. Nodo: Punto donde se divide la corriente. 80 3.5 Ejercicio 2 resistencia en paralelo. Página | 81 81 Página | 82 82 3.6 Ejercicio de circuitos. Página | 83 83 Página | 84 84 Página | 85 85 Página | 86 86 3.7 Tipos de resistencias eléctricas. En esta entrada trataremos las diferentes resistencias utilizadas en la industria eléctrico-electrónica. Como ya sabemos las resistencias se utilizan para ofrecer cierta oposición al paso de la corriente, las diferentes clases de resistencias se pueden clasificar por su fabricación, por su consumo o por su valor. Los tipos de resistencias más utilizadas son: - Resistencias fijas: aglomeradas, de película de carbón, de película metálica y bobinadas. - Resistencias variables: bobinadas, de película. - Resistencias dependientes o variables: LDR, VDR, PTC, NTC. La construcción de un tipo u otro de resistencias nace por la necesidad de cumplir unas especificaciones de bajo/alto valor óhmico, potencia, etc. Para el cálculo de una resistencia no basta con calcular su valor óhmico también es necesario conocer la potencia que puede soportar y, por tanto, el calor que es capaz de disipar dicha resistencia, la mayor o menor potencia repercute en su tamaño a más potencia más grandes son las resistencias, la unidad es el vatio o fracciones de vatio como puede ser; 1/4w, ½ w, 1w, 1,5w, 5w, etc. Las resistencias de carbón aglomerado se fabrican para 1/8 w, ¼ w, ½ w, 1w y 2w. 87 Página | 87 Las resistencias de película de carbón se fabrican para 1/10 w (o 1/8 w), ¼ w, 1/3 w, ½ w, 1w, 1,5 w, 2 w. Las resistencias de película metálica se fabrican normalmente para ¼ w y ½ w. Las resistencias bobinadas existen una gama muy amplia de fabricación con potencias de disipación que van desde 1 w hasta los 130 w o bajo pedido de más potencia. Como ya sabemos la unidad de medida de las resistencias es el ohmio, pero en la aplicación práctica se suelen representar del siguiente modo: - 2k2 = 2200 Ω - 1,5k = 1500 Ω - 4k7 = 4,7k = 4700 Ω - 10k = 10000 Ω En este ejemplo he puesto la k pero para M (de mega) exactamente igual 2M2 = 2200000 Ω A partir de lo explicado se nos plantea la siguiente pregunta, ¿cuáles son las características esenciales de una resistencia? Dependiendo para qué queramos utilizarlas, si en electrónica de potencia, electrónica de telecomunicaciones, etc., pueden existir muchas características aquí tan solo trataré las más básicas; - El valor nominal de la resistencia en Ω. - La tolerancia de este valor, normalmente en %. - La carga permisible o potencia de la resistencia.R 88 Página | 88 3.8 Resumen video de resistencias variables. Sirven para limitar el paso de la corriente eléctrica. Su valor puede variar entre un valor mínimo y un valor máximo. Página | 89 Trimmers: Un trimmer o recortador es un componente eléctrico ajustable en miniatura. Está destinado a ser configurado correctamente cuando se instala en algún dispositivo, y nunca visto o ajustado por el usuario del dispositivo. Pueden ser resistencias variables (potenciómetros), condensadores variables o inductores recortables. (No lleva mando y va dentro del equipo) potenciómetro: Es un resistor eléctrico con un valor de resistencia variable y generalmente ajustable manualmente. Los potenciómetros utilizan tres terminales y se suelen utilizar en circuitos de poca corriente, para circuitos de mayor corriente se utilizan los reóstatos. (lleva mando) Varistor: Es un componente electrónico con una curva característica similar a la del diodo. Suelen usarse para proteger circuitos contra variaciones de tensión al incorporarlos en el circuito de forma que cuando el varistor se active, la corriente no pase por componentes sensibles. Un varistor también se conoce como resistor dependiente de voltaje o VDR. 89 3.9 Reóstato. Reóstatos. Elemento de un circuito eléctrico que permite variar la magnitud de su resistencia mediante el giro de un eje o el deslizamiento de un cursor. Por tanto, un reóstato es un resistor cuyo valor de resistencia es variable y se utiliza para variar niveles de corriente. Este componente se utiliza circuitos de corrientes considerables, ya que pueden disipar más potencia. Los reóstatos y los potenciómetros se diferencias entre si, entre otras cosas, por la forma en que se conectan; en el caso de los potenciómetros, éstos se conectan en paralelo al circuito y se comporta como un divisor de voltaje. El reóstato es por tanto un tipo constructivo concreto de potenciómetro que recibe comúnmente este nombre en vez del de potenciómetro al tratarse de un dispositivo capaz de soportar tensiones y corrientes muy elevadas. En el caso del reóstato, éste va conectado en serie con el circuito y se debe tener cuidado de que su valor (en ohmios) y su la potencia (en Watts (vatios)) sea adecuada para soportar la corriente I en amperios (ampere) que va a circular por él. Se pueden dividir tomando en cuenta otras características: Si son resistencias bobinadas. Si no son bobinadas. De débil disipación. De fuerte disipación. De precisión. Normalmente los potenciómetros se utilizan en circuitos con poca corriente, pues no disipan casi potencia, en cambio los reóstatos son de mayor tamaño, por ellos circula más corriente y disipan más potencia. 90 Página | 90 Página | 91 91 4.0 Termistor. Es un sensor resistivo de temperatura. Su funcionamiento se basa en la variación de la resistividad que presenta un semiconductor con la temperatura. El término termistor proviene de Thermally Sensitive Resistor. Existen dos tipos de termistor: NTC (Negative Temperature Coefficient) – coeficiente de temperatura negativo. PTC (Positive Temperature Coefficient) – coeficiente de temperatura positivo. Su funcionamiento se basa en la variación de la resistencia de un semiconductor con la temperatura, debido a la variación de la concentración de portadores. Para los termistores NTC, al aumentar la temperatura, aumentará también la concentración de portadores, por lo que la resistencia será menor, de ahí que el coeficiente sea negativo. Para los termistores PTC, en el caso de un semiconductor con un dopado muy intenso, éste adquirirá propiedades metálicas, tomando un coeficiente positivo en un margen de temperatura limitado. Usualmente, los termistores se fabrican a partir de óxidos semiconductores, tales como el óxido férrico, el óxido de níquel, o el óxido de cobalto. Los termistores tienes una gran importancia, en el campo científicotecnológico. 92 Página | 92 Termistores PTC Termistores PTC (Positive Temperature Coefficient) son dispositivos que varían su resistencia en función de la temperatura de forma a lineal. Son utilizados para circuitos sensores de temperatura. Su característica principal es que no puedo sobrepasar la temperatura de Curie, ya que al hacerlo este se comportaría como una NTC. Un termistor PTC (Positive Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor se ve aumentado a medida que aumenta la temperatura. Los termistores PTC se utilizan en una gran variedad de aplicaciones: limitación de corriente, sensor de temperatura, desmagnetización y para la protección contra el recalentamiento de equipos tales como motores eléctricos. También se utilizan en indicadores de nivel, para provocar retardos en circuitos, como termostatos, y como resistores de compensación. Termistor NTC Son resistores no lineales cuya resistencia disminuye fuertemente con la temperatura. El coeficiente de temperatura es negativo y elevado. Existen termistores NTC de tipo disco y cilíndricos. Aplicaciones para NTC :Modelos de Trenes. Acción retardada del relés. El tren se para al llegar al tramo interrumpido del riel de alimentación. Al calentarse la resistencia NTC el modelo arranca de nuevo gradualmente. Debido a la inercia térmica del NTC el relé se tarda en activarse. Cortocircuitando el NTC con un par de contactos, permite el enfriamiento de termistor y la reactivación del ciclo. 93 Página | 93 Página | 94 94