Introduccin

Introduccin

INTRODUCCION

La electricidad es un fenmeno fsico originado por cargas elctricas estticas o en movimiento y por su interaccin. Cuando una carga se encuentra en reposo produce fuerzas sobre otras situadas en su entorno. Si la carga se desplaza produce tambin fuerzas magnticas. Hay dos tipos de cargas elctricas, llamadas positivas y negativas. La electricidad est presente en algunas partculas subatmicas. La partcula fundamental ms ligera que lleva carga elctrica es el electrn, que transporta una unidad de carga. Los tomos en circunstancias normales contienen electrones, y a menudo los que estn ms alejados del ncleo se desprenden con mucha facilidad. En algunas sustancias, como los metales, proliferan los electrones libres. De esta manera un cuerpo queda cargado elctricamente gracias a la reordenacin de los electrones. Un tomo normal tiene cantidades iguales de carga elctrica positiva y negativa, por lo tanto es elctricamente neutro. La cantidad de carga elctrica transportada por todos los electrones del tomo, que por convencin son negativas, esta equilibrada por la carga positiva localizada en el ncleo. Si un cuerpo contiene un exceso de electrones quedar cargado negativamente. Por lo contrario, con la ausencia de electrones un cuerpo queda cargado positivamente, debido a que hay ms cargas elctricas positivas en el ncleo.

HistoriaHacia el ao 600 adC, el filsofo griego Tales de Mileto observ que frotando una varilla de mbar con una piel o con lana, se poda crear pequeas cargas, que atraian pequeos objetos. Tambin haban observado que si la frotaban mucho tiempo podan causar la aparicin de una chispa.

Cerca de Mileto, (en la actualidad Turqua), se encuentra un sitio arqueolgico llamado Magnesia, donde en la antigedad se encontraron trozos de magnetita. Los antiguos griegos observaron que los trozos de este material se atraan entre s, y tambin a pequeos objetos de hierro. La palabra magneto (en espaol, imn) proviene del lugar donde se descubri.

Un objeto es encontrado en Iraq en 1938, fechado alrededor de 250 adC, llamado la Batera de Bagdad, se asemeja a una celda electroqumica. No se han encontrado documentos que evidencien su utilizacin, aunque hay otras descripciones anacrnicas de dispositivos elctricos en muros egipcios y escritos antiguos.

En 1600 el cientfico ingls William Gilbert public su libro "De Magnete", en donde utiliza la palabra latina electricus derivada del griego elektron, que significa mbar, para describir los fenmenos descubiertos por los griegos. Tambin estableci las diferencias entre el magnetismo y la electricidad. Estas investigaciones fueron continuadas en 1660 por Otto von Guericke quien invent un generador electrosttico. Robert Boyle afirm en 1675 que la atraccin y repulsin pueden producirse en el vaco. Stephen Gray en 1729 clasific los materiales como conductores y aislantes. C.F. Du Fay fue el primero en identificar los dos tipos de carga elctrica que ms tarde se llamaran positiva y negativa. Pieter van Musschenbroek invent en 1745 la botella de Leyden, un tipo de capacitor para almacenar cargas elctricas en gran cantidad. William Watson experiment con la botella Leyden, descubriendo en 1747 que una descarga de electricidad esttica es equivalente a una corriente elctrica.

Benjamin Franklin en 1752 experiment con la electricidad haciendo volar una cometa durante una tormenta. Demostr que el relmpago es debido a la electricidad. Como consecuencia de estas experimentaciones invent el pararrayos y formul una teora sobre un fluido que explicara la presencia de cargas positivas y negativas.

Charles-Augustin de Coulomb en 1777 invent una balanza de torsin para medir la fuerza de repulsin y atraccin elctrica. Por este procedimiento formul el principio de interaccin de cargas elctricas (ley de Coulomb).

Hans Christian Oersted en 1819 observ que una aguja imantada se orientaba colocndose perpendicularmente a un conductor al cual se le hacia pasar una corriente elctrica. Siguiendo estas investigaciones, Michael Faraday en 1831 descubri que se generaba una corriente elctrica en un conductor que se expona a un campo magntico variable.

Luigi Galvani en 1790 descubri accidentalmente que se producen contracciones en los msculos de una rana u otro animal cuando entran en contacto con metales cargados elctricamente. Alessandro Volta descubri que las reacciones qumicas podan generar cargas positivas (cationes) y negativas (aniones). Cuando un conductor une estas cargas, la diferencia de potencial elctrico (tambin conocido como voltaje) impulsa una corriente elctrica a travs del conductor. La diferencia de potencial entre dos puntos se mide en unidades de voltio, en reconocimiento al trabajo de Volta. Humphry Davy en 1807 trabaj con la electrlisis y aisl de esta forma los metales alcalinos.

En 1821 el fsico alemn Thomas Seebeck descubri que se produca una corriente elctrica por la aplicacin de calor a la unin de dos metales diferentes. Jean Peltier en 1834 observ el fenmeno opuesto, la absorcin de calor mediante el paso de corriente en una unin de materiales.

Georg Simon Ohm en 1827 dio una relacin (Ley de Ohm) que liga la tensin entre dos puntos de un circuito y la intensidad de corriente que pasa por l, definiendo la resistencia elctrica. El fsico alemn Gustav Kirchoff expuso dos reglas, llamadas Leyes de Kirchoff con respecto a la distribucin de corriente elctrica en un circuito elctrico con derivaciones.

James Prescott Joule en 1841 desarroll una ley que establece la cantidad de calor que se produce en un conductor por el paso de una corriente elctrica. Wheatstone en 1844 ide su puente para medir resistencias elctricas.

En 1878, Thomas Alva Edison construy la primera lmpara incandescente con filamentos de bamb carbonizado. En 1901 Peter Hewitt inventa la lmpara de vapor de mercurio.

En 1873, el fsico britnico James Clerk Maxwell public su obra Tratado sobre electricidad y magnetismo, en donde, por primera vez, rene en cuatro ecuaciones la descripcin de la naturaleza de los campos electromagnticos. Heinrich Hertz extendi esta teora y demostr que la electricidad puede transmitirse en forma de ondas electromagnticas, como la luz. Estas investigaciones posibilitaron la invencin del telgrafo sin cables y la radio.

Nikola Tesla experiment con alto voltaje y corriente alterna polifsica de esa manera invent el alternador y el primer motor de induccin en 1882.

La electrnica es una ciencia aplicada que estudia y emplea sistemas cuyo funcionamiento se basa en el control del flujo de los electrones u otras partculas cargadas en una gran variedad de dispositivos, desde las vlvulas termoinicas hasta los semiconductores. El diseo y la construccin de circuitos electrnicos para resolver problemas prcticos forma parte de los campos de la Ingeniera electrnica, y el diseo de software para controlarlos de la Ingeniera informtica. El estudio de nuevos dispositivos semiconductores y su tecnologa se suele considerar una rama de la Fsica.

Breve historia de la electrnicaLa electrnica se origin en 1906 con la invencin del triodo por parte de Lee De Forest, que permiti el desarrollo de la radio, la telefona de larga distancia y las pelculas sonoras. En 1947 con la invencin del transistor se inici la electrnica de estado slido, basada en semiconductores, que desplazara completamente a la vlvula termoinica o vlvula de vaco. En 1958 se desarroll el primer circuito integrado, que integraba seis transistores en un nico chip. En 1970 se desarroll el primer microprocesador, Intel 4004. En la actualidad los campos de desarrollo de la electrnica son tan vastos que se ha dividido en varias ciencias especializadas. La mayor divisin consiste en distinguir la electrnica analgica de la electrnica digital.

La electrnica en si es la rama de la actualidad y de la civilizacin moderna de nuestro futuro. La sustitucin de las lmparas de descarga por los transistores supuso un paso de gigante llamado miniaturizacin La electrnica moderna nace con el transistor, en los aos 50

Dispositivos electrnicos actualesLa electrnica desarrolla en la actualidad una gran variedad de tareas. Los principales usos de los circuitos electrnicos son el control, el procesado, la distribucin de informacin, la conversin y la distribucin de la energa elctrica. Estos dos usos implican la creacin o la deteccin de campos electromagnticos y corrientes elctricas. Mientras que se ha trabajado con la energa elctrica durante algn tiempo para transmitir datos sobre telgrafos y telfonos, no se puede decir que el desarrollo de la electrnica comenzara realmente hasta la llegada de la radio.

[CAD/CAM de los circuitos electrnicosPara el diseo de circuitos por ordenador, los ingenieros electrnicos actuales emplean bloques prefabricados de fuentes de alimentacin, resistencias, condensadores, diodos, semiconductores como los transistores y circuitos integrados. El software empleado para la automatizacin del diseo electrnico incluye programas de captura esquemtica como ORCAD o Protel, empleados para hacer diagramas electrnicos y circuitos impresos....

Sistemas electrnicosUna forma de entender los sistemas electrnicos consiste en dividirlos en las siguientes partes:

1. Entradas o Inputs Sensores (o transductores) electrnicos o mecnicos que toman las seales (en forma de temperatura, presin, etc.) del mundo fsico y las convierten en seales de corriente o voltaje. Ejemplo: El termopar, la foto resistencia para medir la intensidad de la luz, etc.

2. Circuitos de procesado de seales Consisten en piezas electrnicos conectados juntos para manipular, interpretar y transformar las seales de voltaje y corriente provenientes de los transductores.

3. Salidas o Outputs Actuadores u otros dispositivos (tambin transductores) que convierten las seales de corriente o voltaje en seales fsicamente tiles. Por ejemplo: un display que nos registre la temperatura, un foco o sistema de luces que se encienda automaticamente cuando este obscureciendo.

Basicamente son tres etapas: La primera (transductor). la segunda (circuito procesador) y la tercera (circuito actuador). Como ejemplo supongamos un televisor. Su entrada es una seal de difusin recibida por una antena o por un cable. Los circuitos de procesado de seales del interior del televisor extraen la informacin sobre el brillo, el color y el sonido de esta seal. Los dispositivos de salida son un tubo de rayos catdicos que convierte las seales electrnicas en imgenes visibles en una pantalla y unos altavoces. Otro ejemplo puede ser el de un circuito que monitoree la temperatura de un proceso, el transductor puede ser un termocouple, el circuito de procesamiento se encarga de convertir la senal de entrada en un nivel de voltaje (comparador de voltaje o de ventana) en un nivel apropiado y mandar la informacin decodificandola a un display donde nos de la temperatura real y si esta excede un limite preprogramado activar un sistema de alarma (circuito actuador) para tomar las medida pertinentes.

Equipos de medida Ampermetro o galvanmetro: miden la corriente elctrica.

hmetro o puente de Wheatstone: miden la resistencia elctrica.

Voltmetro: mide el voltaje.

Multmetro: miden las tres magnitudes citadas arriba.

Osciloscopio: miden el cambio de la corriente y el voltaje con el tiempo.

Analizador lgico: prueba circuitos digitales.

Analizador de espectro: mide la energa espectral de las seales.

Analizador vectorial de seales: como el analizador espectral pero con ms funciones de demodulacin digital.

Electrmetro: mide la carga elctrica.

Contador de frecuencia: mide la frecuencia.

Reflectmetro de dominio de tiempo (TDR): prueba la integridad de cables largos. Piezas electrnicos Piezas electrnicos

Diseo de circuitos

Circuitos analgicosMuchas de las aplicaciones electrnicas analgicas, como los receptores de radio, se fabrican como un conjunto de unos cuantos circuitos ms simples:

Multiplicador analgico

Amplificador electrnico

Filtro analgico

Oscilador electrnico

Lazo de seguimiento de fase

Mezclador electrnico

Conversor de potencia

Fuente de alimentacin

Adaptador de impedancia

Amplificador operacional

Comparador

Circuitos digitalesLos ordenadores, los relojes electrnicos y los controladores lgicos programables (usados para controlar procesos industriales) se fabrican con circuitos digitales. Los procesadores de seales digitales son otro ejemplo.

Bloques: Puerta lgica

Biestable

Contador

Registro

Multiplexador

Disparador Schmitt Dispositivos integrados: Microprocesador

Microcontrolador

DSP

FPGA Familias Lgicas: RTL

DTL

TTL

CMOS

ECL

Circuitos de seal mixtaLos circuitos de seal mixta, tambin conocidos como circuitos hbridos, se estn haciendo cada vez ms comunes. Estos circuitos contienen componentes analgicos y digitales. Los conversores analgico-digital y los conversores digital-analgico son los principales ejemplos. Otros son las puertas de transmisin y los buffers.

Disipacin del calorEl calor generado por la circuitera electrnica debe disiparse para mejorar la confiabilidad. Las tcnicas para eliminar el calor emplean disipadores de calor junto con una pasta disipadora que se unta entre la circuiteria electronica y el disipador de calor o cooler y ventiladores para enfriar el aire mediante el choque de masas, as como otras formas de refrigeracin de ordenadores como el watercooling.

RuidoExiste ruido asociado a todos los circuitos electrnicos. Algunos tipos de ruido son

Ruido de disparo en resistencias no variables

Ruido trmico (o ruido de Johnson-Nyquist) en resistencias de pequeos y grandes valores

Ruido blanco

Ruido rosa (o ruido 1/f)

Ruido gaussiano

Por medio de los trabajos de Johann Wilhelm Hittorf, Williams Crookes invent en 1872 el tubo de rayos catdicos. Utilizando un tubo de Crookes el fsico alemn Wilhelm Rntgen descubri los rayos X. Joseph John Thomson investigando el flujo de rayos catdicos, descubri el electrn. En 1906 el fsico estadounidense Robert Andrews Millikan, mediante su experimento de "la gota de aceite", determin la carga del electrn.

Actualmente, la comprensin y control del fenmeno elctrico ha posibilitado la implantacin de la electricidad en todos los tipos de aplicaciones industriales del ser humano e incluso en medicina (vase fisioterapia, electroterapia).

Energa elctricaLa energa elctrica es la forma de energa ms utilizada. Gracias a la flexibilidad en la generacin y transporte se ha convertido para la industria en la forma ms extendida de consumo de energa. El transporte por lneas de alta tensin es muy ventajoso y el motor elctrico tiene un rendimiento superior a las mquinas trmicas. Los inconvenientes de esta forma de energa son la imposibilidad de almacenamiento en grandes cantidades y que las lneas de transmisin son muy costosas.

Las instalaciones para generacin y el transporte de la energa elctrica utilizan generalmente corriente alterna, debido a que es ms fcil reducir o elevar el voltaje por medio de transformadores. Para el transporte de una cantidad de energa dada, si se eleva la tensin disminuye la intensidad de corriente necesaria, esto disminuye las prdidas que son proporcionales al cuadrado de la intensidad. Posteriormente, para la distribucin se reduce el voltaje en las subestaciones que gradan la tensin segn se utilicen en la industria (entre 33 kV y 380 Voltios) o en instalaciones domiciliarias (entre 220 y 110 V).

Una central elctrica utiliza una fuerza motora para hacer girar un generador elctrico con diversas fuentes de energa. Se pueden clasificar las centrales elctricas segn la energa aprovechada.

Central hidroelctrica: utiliza la energa obtenida en los saltos de agua (energa hidrulica).

Central termoelctrica: utiliza la energa obtenida de los combustibles fsiles (carbn, fueloil, etc. )

Central nuclear: utiliza la energa obtenida mediante reactores nucleares.

Centrales de recursos renovables: Utiliza energa de recursos renovables: energa solar, elica, mareomotriz y geotrmica.

La produccin mundial en los ltimos 40 aos aument ms del 1300%: de 1 billn de kWh a 13 billones. El ndice de produccin refleja principalmente la importancia de las necesidades de las grandes potencias industriales. Estados Unidos ocupa el primer puesto, con ms del 26 %, le siguen China con 8,5 %, Japn con 7,40 % y Rusia con 5,80 %. La electricidad de estos grandes productores es esencialmente de origen trmico: Estados Unidos con 70 %, China con el 80 %, Japn con el 59 % y Rusia con el 66%. La electricidad de origen trmico representa un 63% de la produccin mundial, le sigue la hidrulica con el 19%, la nuclear con el 17% y se produce solamente con un 1% con fuentes de energa elica, solar y geotrmica.

Componente electrnico

Componentes electrnicos

Se denomina componente electrnico a aquel dispositivo que forma parte de un circuito electrnico. Se suele encapsular, generalmente en un material cermico, metlico o plstico, y terminar en dos o ms terminales o patillas metlicas. Se disean para ser conectados entre ellos, normalmente mediante soldadura, a un circuito impreso, para formar el mencionado circuito.

Hay que diferenciar entre componentes y elementos. Los componentes son dispositivos fsicos, mientras que los elementos son modelos o abstracciones idealizadas que constituyen la base para el estudio terico de los mencionados componentes. As, los componentes aparecen en un listado de dispositivos que forman un circuito, mientras que los elementos aparecen en los desarrollos matemticos de la teora de circuitos.

Clasificacin de los componentesDe acuerdo con el criterio que se elija podemos obtener distintas clasificaciones. Seguidamente se detallan las comnmente ms aceptadas.

1. Segn su estructura fsica

Discretos: Son aquellos que estn encapsulados uno a uno, como es el caso de los resistores, condensadores, diodos, transistores, etc.

Integrados: Forman conjuntos ms complejos, como por ejemplo un amplificador operacional o una puerta lgica, que pueden contener desde unos pocos componentes discretos hasta millones de ellos. Son los denominados circuitos integrados.

2. Segn el material base de fabricacin

Semiconductores (ver listado).

No semiconductores.

3. Segn su funcionamiento

Activos: Proporcionan excitacin elctrica, ganancia o control (ver listado).

Pasivos: Son los encargados de la conexin entre los diferentes componentes activos, asegurando la transmisin de las seales elctricas o modificando su nivel (ver listado).

4. Segn el tipo energa

Electromagnticos: Aquellos que aprovechan las propiedades electromagnticas de los materiales (fundamentalmente transformadores e inductores).

Electroacsticos: Transforman la energa acstica en elctrica y viceversa (micrfonos, altavoces, bocinas, auriculares, etc.).

Optoelectrnicos:Transforman la energa luminosa en elctrica y viceversa.

Componentes semiconductoresTambin denominados como componentes de estado slido, son los componentes "estrella" en casi todos los circuitos electrnicos. Se obtienen a partir de materiales semiconductores, especialmente del silicio.

Componentes activosLos componentes activos son aquellos que son capaces de excitar los circuitos o de realizar ganancias o control del mismo. Fundamentalmente son los generadores elctricos y ciertos componentes semiconductores. Estos ltimos, en general, tienen un comportamiento no lineal, esto es, la relacin entre la tensin aplicada y la corriente demandada no es lineal.

Los componentes activos semiconductores derivan del diodo de Fleming y del triodo de Lee de Forest. En una primera generacin aparecieron las vlvulas que permitieron el desarrollo de aparatos electrnicos como la radio o la televisin. Posteriormente, en una segunda generacin, apareceran los semiconductores que ms tarde daran paso a los circuitos integrados (tercera generacin) cuya mxima expresin se encuentra en los circuitos programables (microprocesador y microcontrolador) que pueden ser considerados como componentes, aunque en realidad sean circuitos que llevan integrados millones de componentes.

En la actualidad existe un nmero elevado de componentes activos, siendo usual, que un sistema electrnico se disee a partir de uno o varios componentes activos cuyas caractersticas lo condicionar. Esto no sucede con los componentes pasivos. En la siguiente tabla se muestran los principales componentes activos junto a su funcin ms comn dentro de un circuito.

ComponenteFuncin ms comn

Amplificador operacionalAmplificacin, regulacin, conversin de seal, conmutacin.

BiestableControl de sistemas secuenciales.

PLDControl de sistemas digitales.

DiacControl de potencia.

DiodoRectificacin de seales, regulacin, multiplicador de tensin.

Diodo ZenerRegulacin de tensiones.

FPGAControl de sistemas digitales.

MemoriaAlmacenamiento digital de datos.

MicroprocesadorControl de sistemas digitales.

MicrocontroladorControl de sistemas digitales.

PilaGeneracin de energa elctrica.

TiristorControl de potencia.

Puerta lgicaControl de sistemas combinacionales.

TransformadorElevacin o disminucin de tensiones alternas.

TransistorAmplificacin, conmutacin.

TriacControl de potencia.

Componentes pasivosExiste una amplia variedad de este tipo de componentes, tanto en forma como en funcionalidad y en caractersticas. En la siguiente tabla se indican los principales componentes pasivos junto a su funcin ms comn dentro de un circuito.

ComponenteFuncin ms comn

AltavozReproduccin de sonido.

CableConduccin de la electricidad.

CondensadorAlmacenamiento de energa, filtrado, adaptacin impedancias.

ConmutadorReencaminar una entrada a una salida elegida entre dos o ms.

FusibleProteccin contra sobre-intensidades.

InductorAdaptacin de impedancias.

InterruptorApertura o cierre de circuitos manualmente.

PotencimetroVariacin la corriente elctrica o la tensin.

RelApertura o cierre de circuitos mediante seales de control.

ResistorDivisin de intensidad o tensin, limitacin de intensidad.

TransductorTransformacin de una magnitud fsica en una elctrica (ver enlace).

VaristorProteccin contra sobre-tensiones.

VisualizadorMuestra de datos o imgenes.

Componentes optoelectrnicosComponentes optoeletrnicos, son aquellos que transforman la energa luminosa en energa elctrica, denominados fotosensibles, o la energa elctrica en luminosa, denominados electroluminiscentes.

Aislante elctrico

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Aislador utilizado en redes de distribucin elctrica.

Se denomina aislante elctrico al material con escasa conductividad elctrica. Aunque no existen cuerpos absolutamente aislantes o conductores, sino mejores o peores conductores, son materiales muy utilizados para evitar cortocircuitos, forrando con ellos los conductores elctricos, para mantener alejadas del usuario determinadas partes de los sistemas elctricos que, de tocarse accidentalmente cuando se encuentran en tensin, pueden producir una descarga, y para confeccionar aisladores, elementos utilizados en las redes de distribucin elctrica para fijar los conductores a sus soportes sin que haya contacto elctrico. Los ms frecuentemente utilizados son los materiales plsticos y las cermicas.

El comportamiento de los aislantes se debe a la barrera de potencial que se establece entre las bandas de valencia y conduccin que dificulta la existencia de electrones libres capaces de conducir la electricidad a travs del material (para ms detalles ver semiconductor).

Un material aislante de la electricidad tiene una resistencia tericamente infinita. Algunos materiales, como el aire o el agua, son aislantes bajo ciertas condiciones pero no para otras. El aire, por ejemplo, aislante a temperatura ambiente y bajo condiciones de frecuencia de la seal y potencia relativamente bajas, puede convertirse en conductor

Dielctrico

Conductor elctrico

Se dice que un cuerpo es conductor elctrico cuando puesto en contacto con un cuerpo cargado de electricidad transmite sta a todos los puntos de su superficie.

Generalmente es un elemento metlico capaz de conducir la electricidad cuando es sometido a una diferencia de potencial elctrico. Para que ello sea efectuado eficientemente, se requiere que posea una baja resistencia para evitar prdidas desmedidas por Efecto Joule y cada de tensin.

Para el transporte de la energa elctrica el metal empleado universalmente es el cobre en forma de cables de uno o varios hilos. Alternativamente se emplea el aluminio, metal que si bien tiene una conductividad elctrica del orden del 60% de la del cobre es, sin embargo, un material mucho ms ligero, lo que favorece su empleo en lneas de transmisin de energa elctrica.

Conductividad elctrica

La conductividad elctrica es la capacidad de un cuerpo de permitir el paso de la corriente elctrica a travs de s. Tambin es definida como la propiedad natural caracterstica de cada cuerpo que representa la facilidad con la que los electrones pueden pasar por l. Vara con la temperatura. Es una de las caractersticas ms importantes de No confundir con la conductancia, que es (la inversa de la resistencia). La conductividad es la inversa de la resistividad, por tanto , y su unidad es el S/m (siemens por metro).

Modelo matemticoUsualmente la magnitud de la conductividad () es la proporcionalidad entre el campo elctrico y la densidad de corriente de conduccin :

Puede ser que la conductividad no sea homognea ni constante en el medio, con respecto a la direccin del campo.

Conductividad en medios lquidosLa conductividad en medios lquidos (Disolucin) est relacionada con la presencia de sales en solucin, cuya disociacin genera iones positivos y negativos capaces de transportar la energa elctrica si se somete el lquido a un campo elctrico. Estos conductores inicos se denominan electrolitos o conductores electrolticos.

Las determinaciones de la conductividad reciben el nombre de determinaciones conductomtricas y tienen muchas aplicaciones como, por ejemplo:

En la electrlisis, ya que el consumo de energa elctrica en este proceso depende en gran medida de ella.

En los estudios de laboratorio para determinar el contenido de sal de varias soluciones durante la evaporacin del agua (por ejemplo en el agua de calderas o en la produccin de leche condensada.

En el estudio de las basicidades de los cidos, puesto que pueden ser determinadas por mediciones de la conductividad.

Para determinar las solubilidades de electrlitos escasamente solubles y para hallar concentraciones de electrlitos en soluciones por titulacin.

La base de las determinaciones de la solubilidad es que las soluciones saturadas de electrlitos escasamente solubles pueden ser consideradas como infinitamente diluidas. Midiendo la conductividad especfica de semejante solucin y calculando la conductividad equivalente segn ella, se halla la concentracin del electrlito, es decir, su solubilidad.

Un mtodo prctico sumamente importante es el de la titulacin conductomtrica, o sea la determinacin de la concentracin de un electrlito en solucin por la medicin de su conductividad durante la titulacin. Este mtodo resulta especialmente valioso para las soluciones turbias o fuertemente coloreadas que con frecuencia no pueden ser tituladas con el empleo de indicadores.

La conductividad elctrica se utiliza para determinar la salinidad (contenido de sales) de suelos y substratos de cultivo, ya que se disuelven stos en agua y se mide la conductividad del medio lquido resultante. Suele estar referenciada a 25 C y el valor obtenido debe corregirse en funcin de la temperatura. Coexisten muchas unidades de expresin de la conductividad para este fin, aunque las ms utilizadas son dS/m (deciSiemens por metro), mmhos/cm (milimhos por centmetro) y segn los organismos de normalizacin europeos mS/m (miliSiemens por metro). El contenido de sales de un suelo o substrato tambin se puede expresar por la resistividad (se sola expresar as en Francia antes de la aplicacin de las normas INEN).

Conductividad en medios slidosSegn la teora de bandas de energa en slidos cristalinos (vase semiconductor), son materiales conductores aquellos en los que las bandas de valencia y conduccin se superponen, formndose una nube de electrones libres causante de la corriente al someter al material a un campo elctrico. Estos medios conductores se denominan conductores elctricos.

La Comisin Electrotcnica Internacional defini como patrn de la conductividad elctrica:

Un hilo de cobre de 1 metro de longitud y un gramo de masa, que da una resistencia de 0,15388 a 20 C

al que asign una conductividad elctrica de 100% IACS (International Annealed Cooper Standard, Estndar Internacional de Cobre no Aleado). A toda aleacin de cobre con una conductividad mayor que 100% IACS se le denomina de alta conductividad (H.C. por sus siglas inglesas

Dielctrico

Saltar a navegacin, bsquedaSe denomina dielctricos a los materiales que no conducen la electricidad, por lo que pueden ser utilizados como aislantes.Algunos ejemplos de este tipo de materiales son el vidrio, la cermica, la cera, el papel, la madera seca, la porcelana, algunas grasas para uso industrial y electrnico y la baquelita. Los dielctricos se utilizan en la fabricacin de condensadores, para que las cargas reaccionen.

La introduccin de un dielctrico en un condensador tiene las siguientes consecuencias:

Disminucin del Campo elctrico entre las placas del condensador.

Disminucin de la diferencia de potencial entre las placas del condensador.

Aumento por tanto de la capacidad elctrica del condensador.

Normalmente un dielctrico se vuelve conductor cuando se sobrepasa el campo de ruptura del dielctrico, es decir, si aumentamos mucho el campo elctrico que pasa por el dielctrico, convertiremos dicho material en un conductor.

Los dielctricos ms utilizados son el aire, el papel y la madera.

Resistencia elctrica

Figura 1. Imagen de un grupo resistores sobre papel milimetrado. El resistor es un elemento destinado a introducir una determinada resistencia elctrica en un circuito.

Se denomina resistencia elctrica, R, de una sustancia, a la oposicin que encuentra la corriente elctrica para recorrerla. Su valor viene dado en ohmios, se designa con la letra griega omega mayscula (), y se mide con el hmetro. Tambien se define como la propiedad de un objeto o sustancia.

Esta definicin es vlida para la corriente continua y para la corriente alterna cuando se trate de elementos resistivos puros, esto es, sin componente inductiva ni capacitiva. De existir estos componentes reactivos, la oposicin presentada a la circulacin de corriente recibe el nombre de impedancia.

Segn sea la magnitud de esta oposicin, las sustancias se clasifican en conductoras, aislantes y semiconductoras. Existen adems ciertos materiales en los que, en determinadas condiciones de temperatura, aparece un fenmeno denominado superconductividad, en el que el valor de la resistencia es prcticamente nula.

Comportamientos ideal y real

Figura 2. Circuito con resistencia.

Una resistencia ideal es un elemento pasivo que disipa energa en forma de calor segn la Ley de Joule. Tambin establece una relacin de proporcionalidad entre la intensidad de corriente que la atraviesa y la tensin medible entre sus extremos, relacin conocida como Ley de Ohm:

donde i(t) la Corriente elctrica que atraviesa la resistencia de valor R y u(t) es la diferencia de potencial que se origina. En general, una resistencia real podr tener diferente comportamiento en funcin del tipo de corriente que circule por ella.

Comportamiento en corriente continuaUna resistencia real en corriente continua (CC) se comporta prcticamente de la misma forma que si fuera ideal, esto es, transformando la energa elctrica en calor. Su ecuacin pasa a ser:

que es la conocida ley de Ohm para CC.

Comportamiento en corriente alterna

Figura 3. Diagrama fasorial.

Como se ha comentado, una resistencia real muestra un comportamiento diferente del que se observara en una resistencia ideal si la intensidad que la atraviesa no es continua. En el caso de que la seal aplicada sea senoidal, corriente alterna (CA), a bajas frecuencias se observa que una resistencia real se comportar de forma muy similar a cmo lo hara en CC, siendo despreciables las diferencias. En altas frecuencias el comportamiento es diferente, aumentando en la medida en la que aumenta la frecuencia aplicada, lo que se explica fundamentalmente por los efectos inductivos que producen los materiales que conforman la resistencia real. Por ejemplo, en una resistencia de carbn los efectos inductivos slo provienen de los propios terminales de conexin del dispositivo mientras que en una resistencia de tipo bobinado estos efectos se incrementan por el devanado de hilo resistivo alrededor del soporte cermico, adems de aparecer una cierta componente capacitiva si la frecuencia es especialmente elevada. En estos casos, para analizar los circuitos, la resistencia real se sustituye por una asociacin serie formada por una resistencia ideal y por una bobina tambin ideal, aunque a veces tambin se les puede aadir un pequeo condensador ideal en paralelo con dicha asociacin serie. En los conductores, adems, aparecen otros efectos entre los que cabe destacar el efecto pelicular.

Consideremos una resistencia R, como la de la figura 2, a la que se aplica una tensin alterna de valor:

De acuerdo con la ley de Ohm circular una corriente alterna de valor:

donde . Se obtiene as, para la corriente, una funcin senoidal que est en fase con la tensin aplicada (figura 3).

Si se representa el valor eficaz de la corriente obtenida en forma polar:

Y operando matemticamente:

De donde se deduce que en los circuitos de CA la resistencia puede considerarse como una magnitud compleja sin parte imaginaria o, lo que es lo mismo con argumento nulo, cuya representacin binmica y polar sern:

Asociacin de resistenciasLas formas ms comunes de conectar resistencias entre s son las asociaciones serie, paralelo y mixta. A estas formas hay que aadir las asociaciones en estrella y en tringulo y la asociacin puente. Seguidamente se comentan las caractersticas de cada una de ellas comenzando con el concepto de resistencia equivalente.

Resistencia equivalente

Figura 4. Asociones generales de resistencias: a) Serie y b) Paralelo. c) Resistencia equivalente

Se denomina resistencia equivalente, RAB, de una asociacin respecto de dos puntos A y B, a aquella que conectada la misma diferencia de potencial, UAB, demanda la misma intensidad, I (ver figura 4). Esto significa que ante las mismas condiciones, la asociacin y su resistencia equivalente disipan la misma potencia.

Asociacin serieDos o ms resistencias se encuentran conectadas en serie cuando al aplicar al conjunto una diferencia de potencial, todas ellas son recorridas por la misma corriente.

Para determinar la resistencia equivalente de una asociacin serie imaginaremos que ambas, figuras 4a) y 4c), estn conectadas a la misma diferencia de potencial, UAB. Si aplicamos la segunda ley de Kirchhoff a la asociacin en serie tendremos:

Aplicando la ley de ohm:

En la resistencia equivalente:

Finalmente, igualando ambas ecuaciones:

Y eliminando la intensidad:

Por lo tanto la resistencia equivalente a n resistencias montadas en serie es igual a la suma de dichas resistencias.

Asociacin paraleloDos o ms resistencias se encuentran en paralelo cuando tienen dos terminales comunes de modo que al aplicar al conjunto una diferencia de potencial, UAB, todas la resistencias tienen la misma cada de tensin, UAB.

Para determinar la resistencia equivalente de una asociacin en paralelo imaginaremos que ambas, figuras 4b) y 4c), estn conectadas a la misma diferencia de potencial mencionada, UAB, lo que originar una misma demanda de intensidad, I. Esta intensidad se repartir en la asociacin por cada una de sus resistencias de acuerdo con la primera ley de Kirchhoff:

Aplicando la ley de ohm:

En la resistencia equivalente se cumple:

Igualando ambas ecuaciones y eliminando la tensin UAB:

De donde:

Por lo que la resistencia equivalente de una asociacin en paralelo es igual a la inversa de la suma de las inversas de cada una de las resistencias.

Existen dos casos particulares que suelen darse en una asociacin en paralelo:

1. Dos resistencias: En este caso se puede comprobar que la resistencia equivalente es igual al producto dividido por la suma de sus valores, esto es:

2. k resistencias iguales: Su equivalente resulta ser:

Asociacin mixta

Figura 5. Asociaciones mixtas de cuatro resistencias: a) Serie de paralelos, b) Paralelo de series y c) Ejemplo de una de las otras posibles conexiones.

En una asociacin mixta podemos encontrarnos conjuntos de resistencias en serie con conjuntos de resistencias en paralelo. En la figura 5 pueden observarse tres ejemplos de asociaciones mixtas con cuatro resistencias.

A veces una asociacin mixta es necesaria ponerla en modo texto. Para ello se utilizan los smbolos "+" y "//" para designar las asociaciones serie y paralelo respectivamente. As con (R1 + R2) se indica que R1 y R2 estn en serie mientras que con (R1//R2) que estn en paralelo. De acuerdo con ello, las asociaciones de la figura 5 se pondran del siguiente modo:

a) (R1//R2)+(R3//R4)

b) (R1+R3)//(R2+R4)

c) ((R1+R2)//R3)+R4

Para determinar la resistencia equivalente de una asociacin mixta se van simplificando las resistencias que estn en serie y las que estn en paralelo de modo que el conjunto vaya resultando cada vez ms sencillo, hasta terminar con un conjunto en serie o en paralelo. Como ejemplo se determinarn la resistencias equivalentes de cada una de las asociaciones de la figura 5:

a)

R1//R2 = R1//2R3//R4 = R3//4RAB = R1//2 + R3//4b)

R1+R2 = R1+2R3+R4 = R3+4RAB = (R1+2 R3+4)/(R1+2 + R3+4)

c)

R1+R2 = R1+2

R1+2//R3 = R1+2//3

RAB = R1+2//3 + R4

Asociaciones estrella y tringulo

Figura 6. Asociaciones: a) En estrella y b) En tringulo.

En la figura 6a) y b) pueden observarse respectivamente las asociaciones estrella y tringulo. Este tipo de asociaciones son comunes en las cargas trifsicas. Las ecuaciones de equivalencia entre ambas asociaciones vienen dadas por el teorema de Kenelly, de donde se deduce que los valores de la estrella en funcin de los del tringulo (transformacin tringulo a estrella) son:

Y los del tringulo en funcin de la estrella (transformacin estrella a tringulo):

Asociacin puente

Figura 7. Asociacin puente.

Si en una asociacin paralelo de series como la mostrada en la figura 5b se conecta una resitencia que una las dos ramas en paralelo, se obtiene una asociacin puente como la mostrda en la figura 7.

La determinacin de la resistencia equivalente de este tipo de asociacin tiene slo inters pedaggico. Para ello se sustituye una de las configuraciones en triangulo de la asociacin, la R1-R2-R5 o la R3-R4-R5 por su equivalente en estrella, transformndose el conjunto en una asociacin mixta de clculo sencillo. Otro mtodo consiste en aplicar una fem (E) a la sociacin y obtener su resistencia equivalente como relacin de dicha fem y la corriente total demandada (E/I).

El inters de este tipo de asociacin est cuando por la resistencia central no circula corriente, pues permite calcular los valores de una de las resitencias (R1, R2, R3 o R4) en funcin de las otras tres. En ello se basan los puentes de Wheatstone y de hilo para la medida de resistencias con precisin. Tambien se define como la propiedad de un objeto o sustancia.

Resistencia de un conductorEl conductor es el encargado de unir elctricamente cada uno de los componentes de un circuito. Dado que tiene resistencia hmica, puede ser considerado como otro componente ms con caractersticas similares a las de la resistencia elctrica.

De este modo, la resistencia de un conductor elctrico es la medida de la oposicin que presenta al movimiento de los electrones en su seno, o sea la oposicin que presenta al paso de la corriente elctrica. Generalmente su valor es muy pequeo y por ello se suele despreciar, esto es, se considera que su resistencia es nula (conductor ideal), pero habr casos particulares en los que se deber tener en cuenta su resistencia (conductor real).

La resistencia de un conductor depende de la longitud del mismo (), de su seccin (), del tipo de material y de la temperatura. Si consideramos la temperatura constante (20 C), la resistencia viene dada por la siguiente expresin:

en la que es la resistividad (una caracterstica propia de cada material).

Influencia de la temperaturaLa variacin de la temperatura produce una variacin en la resistencia. En la mayora de los metales aumenta su resistencia al aumentar la temperatura, por el contrario, en otros elementos, como el carbono o el germanio la resistencia disminuye.

Como ya se coment, en algunos materiales la resistencia llega a desaparecer cuando la temperatura baja lo suficiente. En este caso se habla de superconductores.

Experimentalmente se comprueba que para temperaturas no muy elevadas, la resistencia a un determinado valor de t (), viene dada por la expresin:

donde

= Resistencia de referencia a 20C.

= Coeficiente Olveriano de temperatura.

= Diferencia de temperatura respecto a los 20C (t-20).

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