ELECTROTECNIA

Para entender la electricidad y la electrónica hay que conocer la estructura de la materia; los fenómenos eléctricos y electrónicos se deben a movimientos de partículas diminutas dentro de los materiales. Cualquier material está constituido por una gran cantidad de elementos infinitamente pequeños que llamamos átomos. El átomo de hierro es distinto que el del cobre, por eso tienen diferentes características. EL ATOMO es la partícula más pequeña de un elemento, que conserva las características propias de éste. El átomo, en general, está constituido de forma similar a un sistema planetario en miniatura: en él existen una serie de partículas llamadas protones, agrupadas en su núcleo, alrededor del cual giran otras partículas diferentes, llamadas electrones, en órbitas más o menos elípticas y a distancias variables del centro. Se llama núcleo al centro, donde se agrupan los protones y otro tipo de partículas, que no son de interés para el estudio de la teoría electrónica, al menos en este nivel. Para distinguir los protones de los electrones, a los primeros se les ha marcado con el signo + y a los segundos con el -. «En cualquier átomo el número de protones es igual al total de electrones.» 1.1- DISTRIBUCION DE LOS ELECTRONES EN LAS ORBITAS Cada órbita, según su orden de proximidad al núcleo, tiene una capacidad máxima de contener electrones. Así, por ejemplo: La diferencia fundamental de los cuerpos simples o elementos que se conocen en la naturaleza y que son unos 100, estriba precisamente en su número atómico, que indica el número de electrones (igual al de protones) que tiene cada elemento. Existe una tabla en la que se han ordenado todos los elementos según su número de electrones. El hidrógeno ocupa el primer puesto de la tabla, pues sólo tiene un protón en el núcleo y un electrón en la envoltura; el helio es el segundo, con 2 electrones y 2 protones; el litio el tercero, etc... • La 1ª órbita, llamada K, la más cercana al núcleo, no puede contener más de 2 electrones. • La 2ª órbita, llamada L, puede contener como máximo 8 electrones. • La 3ª órbita, llamada M, puede tener hasta 18 electrones. La 4ª órbita, llamada N, puede tener hasta 32 electrones. La cantidad máxima de electrones viene dada por la fórmula 2xn2 , siendo n el número de órbita. La fuerza de atracción explica por qué los electrones, al girar con gran velocidad alrededor del núcleo, no se salen de las órbitas: la fuerza de atracción que los protones del núcleo ejercen sobre los electrones anula la fuerza centrífuga que trata de sacarlos de la órbita. Ciclo Formativo Sistemas de Telecomunicación e Informáticos ______________________________________________________________ 3 Sin embargo, si enfrentamos a dos protones, éstos se repelen, y otro tanto ocurre si enfrentamos a dos electrones. En resumen, entre un protón (partícula que está en el centro del átomo) y un electrón (partícula que gira alrededor del centro) hay una fuerza de atracción: Entre dos protones o dos electrones la fuerza es de repulsión. Así, en un átomo como el Si (silicio), con 14 electrones y 14 protones, los electrones van distribuyéndose en las órbitas por orden, es decir, primero llenan con 2 electrones la órbita K, luego con 8 la L, y los 4 que quedan pasan a la órbita M. 1.2.-CARGA ELECTRICA Si pudiéramos colocar un protón frente a un electrón, veríamos que se acercarían entre sí rápidamente. Esto nos indica que entre las dos partículas existe una fuerza de atracción invisible. Si al colocar frente a un protón un electrón aparece una fuerza de atracción y al colocar otro protón la fuerza es de repulsión, es porque tanto uno como otro tienen una propiedad que se llamó «carga eléctrica», y que por su actuación anterior deben ser distintas. Como la propiedad especial de un protón es distinta a la del electrón las vamos a llamar de distinta manera: el protón tendrá una carga eléctrica «positiva» y el electrón una carga eléctrica «negativa». El nombre de positivo o negativo es de elección totalmente arbitraria y podríamos haberlos distinguido con otro apelativo. Cargas del mismo signo se repelen y cargas de signo contrario se atraen. 1.2.1.- Átomo neutro. En estado normal, un átomo tiene una cantidad total de electrones igual a la de protones. En estas condiciones, el estado del átomo se dice que es neutro y no será capaz de atraer ni repeler a un electrón o a un protón colocado en sus inmediaciones. En efecto, supongamos que colocamos un electrón cerca del átomo: los protones del átomo tenderán a atraerlo, pero sus electrones tenderán a repelerlo. Como tiene igual número de unos que de otros, las fuerzas de atracción quedarán compensadas y anuladas por las de repulsión. Como un átomo en. estado neutro (igual número de electrones que de protones) no atrae ni repele, se dice que su carga total, o sea, la suma de las positivas de los protones y las negativas de los electrones, es cero o nula. Recuérdese que se llama carga eléctrica a la propiedad de ejercer fuerzas de atracción o repulsión. 1.2.2.- Átomo con carga. Si a un átomo en estado neutro le quitamos un cierto número de electrones, será capaz de atraer a un electrón colocado en sus cercanías, porque al tener un exceso de protones las fuerzas de atracción de éstos sobre el electrón, que colocamos en su proximidad, supera la fuerza de repulsión de los electrones. A este tipo de átomos se les dice que tienen carga positiva, tanto mayor cuantos protones existan más que electrones. En realidad ya no son átomos puros y reciben el nombre de iones. Como es lógico, los electrones de la última órbita son los que pueden escapar más fácilmente del átomo, por ser los más alejados del núcleo con protones. Estos electrones capaces de escaparse de la última órbita del átomo reciben el nombre, al igual que dicha órbita, de «valencia». Sistemas de Radio y Televisión. Introducción a la electrotecnia. 

______________________________________________________________ ® P C-R Departamento de Electrónica IES Juan de la Cierva. 4 4 Otra posibilidad es que pasen a la última órbita electrones libres y el átomo contenga más de éstos que protones. En resumen: Un átomo al que se le ha quitado un número determinado dé electrones queda cargado positivamente, a causa de un exceso de protones. Si le añadimos electrones a los que en estado neutro le corresponden la carga del átomo sería negativa, al tener exceso de electrones. La carga se mide por el número de electrones que un cuerpo tiene de más o de menos comparado con el número de protones. 1.3.-LEY DE COULOMB La fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos viene expresada por la siguiente fórmula: Siendo F, la fuerza; Q1 y Q2, las cargas de los dos cuerpos; d, la distancia entre ellos, y K, un número que depende de dónde estén colocados los átomos, o sea, del medio ambiente y el sistema de unidades empleado, y que se llama constante de proporcionalidad. 1.3.1.-Unidad de carga La carga de un cuerpo se mide por el número de electrones o protones que tiene en exceso. 1) Se puede considerar la carga de un electrón como la menor cantidad de carga negativa que puede existir y la carga de un protón como la menor cantidad de carga positiva que puede existir. Como generalmente este número es muy grande, habría que usar cifras del orden de los billones. Para operar con números más pequeños, se usa como unidad de carga el culombio, siendo un culombio aproximadamente igual a 6 trillones de electrones: 1 culombio (C) = 6.230.000.000.000.000.000 = 6,23 • 1018 electrones. 2.- LA ELECTRICIDAD En un material conductor, como el cobre, existe una gran cantidad de átomos. Cada uno tiene sus protones y electrones, los electrones están distribuidos en diferentes capas y girando alrededor del núcleo de dicho átomo. Si, por alguna razón, una cierta cantidad de los electrones citados se traslada de átomo en átomo a lo largo de todo el cuerpo, se genera lo que se conoce con el nombre de CORRIENTE ELÉCTRICA. Se dice que por un hilo de material conductor circula una corriente eléctrica, cuando desde uno de sus extremos hasta el otro, y por su interior, hay un paso de electrones. Supongamos que tenemos un hilo de material conductor, formado por una gran cantidad de átomos, con un electrón en su órbita de valencia Para simplificar el dibujo sólo se han representado cuatro de estos átomos con sus electrones de valencia. Entre los extremos del hilo se aplica a un extremo una fuerte carga positiva y al otro una negativa, como la que proporcionan los bornes de una pila. Ciclo Formativo Sistemas de Telecomunicación e Informáticos ______________________________________________________________ 5 La gran fuerza de atracción del positivo de la pila se lleva el electrón periférico del átomo N.° 1; al quedarse sin un electrón este átomo queda cargado positivamente y atrae y se lleva el electrón del átomo contiguo N.° 2, con lo que éste se carga positiva-mente y se lleva el electrón del átomo N.° 3; al quedarse éste sin un electrón atrae al electrón del átomo N.° 4 y a éste se le aporta otro electrón por el negativo de la pila, que se puede decir que es el electrón que había entrado por el positivo, luego la pila no se queda con ningún electrón. Estos saltos de los electrones de átomo en átomo es lis que se conoce por electricidad. Al final todos los átomos se quedan como al principio, con igual número de electrones: lo único que ha habido es un intercambio de electrones entre los átomos. 2.1.- CONDUCTORES Y AISLANTES En el cobre es muy fácil poner en movimiento los electrones de átomo en átomo de la última capa, pero hay otros cuerpos en los que es muy difícil. A los que dejan pasar fácilmente los electrones se les llama cuerpos buenos conductores, porque oponen poca resistencia a su paso; a los que oponen mucha resistencia para desplazarse los electrones, se les llama cuerpos malos conductores o aislantes. Son buenos conductores casi todos los metales: cobre, hierro, oro, plata, etc... El que más se suele usar para transportar la corriente de electrones, por sus buenas características eléctricas y relativamente bajo precio, es el cobre. 2.2.- CORRIENTE ELECTRICA Y ELECTRONICA En realidad la corriente eléctrica es un movimiento de electrones, luego la electricidad o corriente eléctrica debe tener el mismo sentido que el que llevan los electrones. Así, si los electrones van de derecha a izquierda, la electricidad también irá en el mismo sentido. Este sistema, sencillo y lógico es el que hemos adoptado, aunque en muchos libros a la corriente eléctrica se le ha dado el sentido contrario que a la electrónica, debido a que en un principio los antiguos científicos consideraron, equivocadamente, que no eran los electrones los que se movían, sino los protones, y bastantes obras por no modificar este error, lo mantienen. En estos apuntes a la corriente eléctrica le damos el mismo sentido que a la electrónica, de negativo a positivo. Advertimos este detalle para que no se tengan dificultades al consultar otros libros. Con frecuencia se habla de corriente “real”, refiriéndose ala corriente eléctónica, y “convencioanal”, la que considera que el moviendo es de positivo a negativo. 2.3.- CANTIDAD DE ELECTRICIDAD, CULOMBIO Cuando queremos saber la cantidad de agua que circula por un tubo, medimos los litros que pasan por él. Cuando deseamos saber la electricidad quo pasa por un hilo de cobre, mediremos los electrones que lo atraviesan. Sin embargo, hay una diferencia entre un caso y otro, y es que en el segundo la cantidad de electrones que pasa por el hilo es enormemente grande y corno es muy complicado expresar la corriente eléctrica en electrones, lo que se hace es expresarla en culombios, teniendo presente que un culombio vale 6 trillones de electrones. De esta forma, en vez de decir un número muy eleva-do de electrones basta decir que pasan unos pocos culombios, lo que resulta mucho más cómodo. Sistemas de Radio y Televisión. Introducción a la electrotecnia. ______________________________________________________________ ® P C-R Departamento de Electrónica IES Juan de la Cierva. 6 6 2.3.1.- INTENSIDAD Veamos un símil: Para saber el caudal que transporta una tubería, no basta decir que por ella pasan mil litros, hay que decir también el tiempo que han tardado en pasar. Suele expresarse el caudal por el número de litros que pasan por segundo. En electricidad, en vez de llamar a este dato caudal, lo designamos por intensidad o corriente y será el número de electrones (expresado en culombios) que pasan por segundo. La intensidad se mide en amperios. Así, pues, cuando en un segundo pasa un culombio, se dice que la corriente tiene una intensidad de un amperio, si pasan tres y medio culombios cada segundo, serán tres y medio amperios, y así sucesivamente. (Amperios) I = Q (Culombios) / t (Segundos) La intensidad en amperios se halla dividiendo el número de culombios que han pasado, por el nú- mero de segundos que han tardado, obteniendo el nº de culombios que han pasado en un segundo. En escritura técnica siempre se indican los amperios con una A, que es su símbolo. En electrónica el amperio es una unidad muy grande para las corrientes que normalmente hemos de controlar, por eso usamos una unidad más pequeña llamada miliamperio y que se representa mA, que es su milésima parte. 1 A=1.000 mA 1 mA = 0,001 A De la fórmula mencionada anteriormente, se deduce la siguiente: (Culombios) Q =I (Amperios) . t (segundos) con la que se obtiene la cantidad de culombios que pasan por un conductor por el que circula una corriente de 1 Amperios dur ante un tiempo de t segundos. 3.- RESISTENCIAS Resistencia de un cuerpo es la oposición que éste presenta al movimiento de electrones a su través, es decir, a la corriente eléctrica. Así como la altura se mide en metros, el peso en kilogramos, etcétera, las resistencias se miden en unas unidades llamadas ohmios. Es fácil de comprender que si por una tubería circula agua, ésta pasará más fácilmente si dicha tubería es ancha que si es estrecha. También pasará mejor el agua, si es corta que si es larga. Asimismo, si el interior de la tubería es lisa, presentará menos oposición que si es rugosa. De la misma forma, un conductor eléctrico presentará menos resistencia al paso de la corriente si es grueso que si es delgado, si es corto que si es largo. El tipo de material de que está constituido (equivalente a la rugosidad de un tubería) tendrá influencia sobre la resistencia. Esto anterior se expresa mediante la siguiente fórmula: R= ρ (L/S) En donde L es la longitud del cuerpo conductor, S la superficie que presenta al paso de la corriente y ρ un número que de-pende del tipo de material de que se trate, y se llama resistividad. Vemos que cuanto mayor sea L, es decir el numerador, mayor es R, es decir el cociente, como ya sabíamos (a mayor longitud, mayor resistencia). Cuanto mayor es S, o sea el denominador, menor es R (menor cociente), es decir: a mayor superficie de paso de corriente, menor resistencia. El valor que obtenemos aplicando la fórmula viene expresado en ohmios, que es la unidad fundamental de la resistencia y se representa por la letra griega Ω. La resistividad de algunos materiales usados en electrónica, expresada en ohmios*mm2 /m es 0,0165 para la Plata, 0.0175 para el Cobre, 0,13 el Hierro, 0,12 el Estaño y 0,029 el Aluminio. Ciclo Formativo Sistemas de Telecomunicación e Informáticos 

______________________________________________________________ 7 EJEMPLO Calcular la resistencia de un cable de cobre de 100 metros de longitud y 2 milímetros de diámetro, sabiendo que la resistencia del cobre vale 0,0175 Q/m/mmZ. 1º) Para resolver el problema hay que aplicar la fórmula: R= ρ (L/S) 2.°) Hemos de calcular el valor de la sección S. S= (πD2)/4 S=3,14*22 /4 3.°) Sustituyendo valores en la fórmula: R = 0,0175 100/3,14 = 0,55 Ω 3.1.- REPRESENTACION DE UNA RESISTENCIA Una resistencia se representa en un esquema como un rectángulo. Hay otros símbolos, pero éste es el más extendido. 3.2.-UNIDADES DE RESISTENCIA La unidad fundamental es el ohmio (Ω). Así como el kilogramo tiene 1.000 gramos, el kilohmio, que se escribe KΩ, vale 1.000 ohmios. 2 K 5= 2500 Ω 1 KΩ = 1.000 Ω 10KΩ=10.000 Ω 12 KΩ =12.000 Ω Hay otra unidad que es el megaohmio, que se representa MΩ. y vale un millón de ohmios. 1M Ω=1.000.000 Ω 1 M 2 = 1.200.000 Ω 10 M Ω = 10.000.000 Ω 3.3.- ASOCIACIÓN DE RESISTENCIAS. 3.3.1.- Resistencias en serie. Varias resistencias se dice que están en serie cuando van unas detrás de otras. La oposición al paso de la corriente de varias resistencias en serie es igual a la suma de la oposición que presenta cada una de ellas, como es fácil de entender. En el ejemplo de la figura hay 3 resistencias en serie, una de 10 Ω , otra de 20 Ω y una tercera de 5 Ω. La resistencia total será 10 + 20 + 5 = 35 Ω . Esto quiere decir que se pueden sustituir varias resistencias en serie por una sola, cuyo valor sea la suma de ellas. 3.3.2.-Resistencias en paralelo. Varias resistencias están en paralelo cuando tienen unidos los extremos en un mismo punto. En la figura se observa que los extremos de la izquierda de las resistencias están unidos en un punto, y lo mismo pasa con los extremos de la derecha. En este caso diremos que las tres resistencias de 2, 3 y 4 Q están en paralelo. 3.3.2.1.-Resistencia equivalente de varias en paralelo: caso de 2 resistencias. La resistencia equivalente de otras dos en paralelo se halla dividiendo el producto de ambas por su suma. Rparalelo = (R1*R2)/(R1+R2) Las dos resistencias de la figura están en paralelo; su efecto es el mismo que el de otra resistencia única de valor: R1//R2= 2//4= 1,33 Ω Sistemas de Radio y Televisión. Introducción a la electrotecnia. ______________________________________________________

________ ® P C-R Departamento de Electrónica IES Juan de la Cierva. 8 8 Como regla práctica: «la resistencia equivalente de varias en paralelo es menor que la más pequeña de ellas». La intensidad que circula por cada resistencia puesta en paralelo depende del valor de su resistencia. Pasa igual que cuando una cañería se divide en dos: pasará más caudal de agua por la que presente menos resistencia, es decir, por la que sea más ancha y menos rugosa. De los 6 A que llegan a la bifurcación de las dos resistencias en paralelo, parte se irán por una resistencia y parte por la otra. La parte mayor corresponderá a la resistencia menor, pues por ella la corriente podrá circular mejor. Una vale 1 Q y la otra 2 Q, luego por una resistencia también pasará el doble de intensidad que por la otra. Por la resistencia de 2 Ω circularán 2 A y por la de 1 Ω el resto, o sea, 4 A . 3.3.2.2.-Resistencia equivalente de varias en paralelo: caso general, más de 2 resistencias En caso de que existan más de dos resistencias en paralelo, hay que aplicar la fórmula general. Si tenemos tres resistencias en paralelo, RI, R2 y R3, la resistencia equivalente de las tres, RTr, se despejará de la siguiente fórmula: 4.- LEY DE OHM 4.1.- TENSION DE UN CUERPO Es la cantidad de carga eléctrica, positiva o negativa (según que la cantidad de electrones sea menor o mayor que los protones), que tiene un cuerpo por unidad de volumen. Como se ha definido la tensión, además de la carga total eléctrica que posee un cuerpo, tiene en cuenta su volumen. Así, dos cuerpos con igual carga pero con diferente volumen, no tienen la misma tensión. La tensión o potencial de un cuerpo se mide en voltios (V) y puede tener carácter positivo o negativo, según la carga eléctrica que predomine. Ciclo Formativo Sistemas de Telecomunicación e Informáticos ______________________________________________________________ 9 4.1.1.-diferencia de tensión, o diferencia de potencial Es la diferencia entre las tensiones existentes entre dos cuerpos. Puede haber diferencia de potencial o tensión, no sólo entre dos cuerpos que estén cargados con cargas de distinto signo, sino también con cargas del mismo signo. A la diferencia de tensión se la llama generalmente tensión o voltaje y es el dato que tendrá para nosotros verdadero interés. Al poner en contacto dos cuerpos a diferente potencial, el paso de electrones desde el polo negativo, al positivo que los atrae depende únicamente de la diferencia entro sus tensiones y no de los voltajes absolutos que puede tener cada cuerpo. Una definición más rigurosa de la diferencia de potencial o voltaje existente entre dos puntos consiste en asemejar este concepto con el trabajo que es necesario realizar con la unidad de carga eléctrica, para trasladarla desde uno a otro punto, en sentido contrario a la dirección del campo eléctrico creado por ellos. 4.2.- LEY DE OHM Veamos un ejemplo de lo que sucede con el agua cuando se comunican dos depósitos a diferente altura. El agua pasa del depósito de mayor nivel al de menor, hasta que se igualan las alturas de los dos depósitos. El caudal de agua que pasa de un depósito a otro será tanto mayor cuanto más diferencia de altura haya entre los dos, pero, por otro lado, será tanto menor cuanto mayor sea la resistencia que opone a su paso la tubería, la cual será función del diámetro y del material que la forme. En resumen, el caudal de agua que pasa entre los dos depósitos depende de modo «directamente» proporcional del desnivel entre sus alturas, e «inversamente» de la resistencia, que oponga la tubería que las une. Si conectamos mediante un cable conductor dos cuerpos con diferentes tensiones, el que sea más positivo atraerá electrones del otro. Aquí va a suceder lo mismo que en los depósitos de agua: que al pasar el agua, los niveles tienden a igualarse. En nuestro ejemplo eléctrico, al pasar electrones desde el cuerpo negativo al positivo, el negativo va perdiendo carga negativa al ceder sus electrones, mientras que el otro, pierde carga positiva al ir neutralizándose sus cargas positivas con las negativas que le llegan. La cantidad de electrones que pasan de un cuerpo a otro, o sea, la intensidad, depende de la diferencia de voltajes de forma directamente proporcional (a más diferencia, mayor atracción y mayor circulación) e inversamente de la resistencia del cable que los comunica (a más resistencia, menos intensidad).Esto se expone mediante la Ley de Ohm, que dice así: Siendo: I: Intensidad de la corriente, en amperios. Va: Potencial o nivel eléctrico del punto a. Vb: Potencial o nivel eléctrico del punto b. R: Resistencia del conductor. Si aumenta el numerador, o sea, la diferencia de potencial, crece el cociente, o sea, la intensidad, como ya sabemos que tiene que ocurrir. Si aumenta el denominador, o sea, la resistencia, disminuye el cociente (la intensidad). La unidad de altura al hablar de niveles de agua es el metro; la unidad de tensión o de potencial, el voltio. Cuando decimos que entre dos puntos hav una tensión de 120 voltios (se escribe 120 V), queremos indicar que el punto de mayor potencial tiene 120 unidades de potencial, o sea, 120 voltios más que el de menor potencial. La unidad de resistencia es el ohmio. Por lo tanto, según la Ley de Ohm, para hallar la intensidad