LECCION 1TEORIA: LECCION N 1

Qu es la Electricidad y qu la Electrnica?Con esta leccin damos comienzo a este Curso de Electrnica (parte terica) a distancia, con atencin personalizada, que persigue formar al estudiante en los conceptos bsicos y medios de esta disciplina, con el objeto de que pueda graduarse como Tcnico Reparador de Equipos Electrnicos. A continuacin damos algunos conceptos fundamentales que es preciso conocer para encarar el estudio con mayor simplicidad.

Estructura AtmicaAtomos: protones, electrones y neutrones La corriente elctrica es el paso de electrones por un conductor. Dichos electrones estn en todas las cosas pero arraigados a la estructura de un tomo constituyente de un elemento qumico. Para aclarar el tema, digamos que todos los cuerpos estn formados por elementos qumicos (el agua, por ejemplo, est formada por los elementos qumicos hidrgeno y oxgeno), y que un tomo es la parte ms pequea a la que puede ser reducido un elemento qumico.

Constitucin del tomo: protones, electrones y neutrones Si se pudiera dividir el tomo de un elemento, tendramos pequesimas partculas que son las que dan a los tomos sus particulares caractersticas. Debemos saber que un tomo de un elemento se diferencia de un tomo de otro elemento en el nmero de ciertas partculas subatmicas que tiene cada uno de ellos, y stos son los electrones. En el centro del tomo est el ncleo, que tiene dos clases de partculas: los protones y los neutrones; alrededor del ncleo giran los electrones en rbi-

tas electrnicas, as como ocurre con los planetas que giran en torno al sol. Una caracterstica importantsima de los protones y neutrones es que tienen carga elctrica, vale decir: tienen una energa intrnseca y natural, puesta de manifiesto por las fuerzas que pueden ejercer sobre otras partculas del mismo tipo y que originan fenmenos de atraccin y repulsin entre partculas cargadas elctricamente. Se ha constatado que dos electrones o dos protones se repelen entre s; es indudable que las dos partculas tienen cargas elctricas de distinto signo: se las denomin carga elctrica positiva (+) al pro-

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ELECTRONICA?Flujo de electrones Se denomina corriente elctrica al paso de los electrones por un conductor de la corriente elctrica (o semiconductor). Su unidad es el ampere (A) y "mide" la cantidad de electrones que atraviesan a un elemento en una unidad de tiempo. Para que pueda establecerse una corriente elctrica tiene que existir algo que impulse a los electrones a circular de un lado a otro.

tn y, al electrn, carga elctrica negativa (-). Sin embargo, los neutrones del ncleo son partculas que tienen igual cantidad de carga positiva que de negativa; por lo tanto, tiene un efecto neutro por la anulacin mutua entre los dos, el neutrn no ejerce fuerza elctrica sobre un electrn o protn y tiene la funcin de separar los protones que estn en el ncleo. Un tomo es elctricamente neutro y eso quiere decir que la cantidad 1 de electrones es igual al nCuando esto ocurre, se dice mero de protones; ese nmero de electrones se denomina "NUMERO que el paso de los electrones "neutralizadores de carga" constituyen ATOMICO". Los neutrones tienen una CORRIENTE ELECTRICA. intervencin en la masa atmica, que est prcticamente en el ncleo; el resto es espacio vaco Conductores, donde los electrones giran a gransemiconductores y aislantes des velocidades (figura 1). Existen materiales que permiten el paso de los electrones con Iones positivos y negativos mayor facilidad que otros. Se denomina conductor de la corriente Cuando por cualquier circunselctrica a todo aquel material que tancia un tomo gana o pierde electrones, se dice que dicho to- ofrece muy poca resistencia al paso de los electrones (cobre, plata, mo se ha ionizado. oro, platino, etc.) Un aislante de Se denomina ION POSITIVO cuando el tomo tiene ms proto- la corriente elctrica es todo aquel material que ofrece una elevada nes que electrones e ION NEGATIVO cuando tiene ms electrones resistencia al paso de los electrones. Existen otros materiales que, que protones. Como cargas de segn como se los trate, se comdistinto signo se atraen, cuando estn cerca iones negativos y posi- portan como conductores o como tivos, stos se unen, pero tambin aislantes. Dicho de otra manera, son materiales sobre los cuales se puede ocurrir que solamente se desprendan los electrones que tie- puede "regular" el paso de la cone de ms el in negativo y se di- rriente elctrica; a dichos materiales se los denomina SEMICONrijan hacia el in positivo para DUCTORES. neutralizar su carga.

Diferencia de potencial, tensin, fuerza electromotriz Como hemos dicho, para que se establezca una corriente elctrica debe existir algo que impulse a los electrones para que se muevan. Por ejemplo, colocando iones negativos de un lado de un conductor e iones negativos del otro, se establecer una corriente elctrica que ser ms grande cuanto mayor sea la "diferencia de cargas entre los iones". Se dice que para que exista un flujo de electrones debemos aplicar "energa al conductor". Cuando la energa proviene de una fuerza del tipo elctrico, se la denomina "fuerza electromotriz" porque permite el desplazamiento de electrones al desprenderse de los tomos. Esa fuerza electromotriz puede originarla una batera. Ejemplo: el acumulador de un auto, una pila o un generador para alimentar

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ELECTRONICA?son el motivo por el cual el conductor se calienta cuando lleva corriente elctrica, ya que cualquier choque entre 2 cuerpos ocasiona un desprendimiento de energa en forma de calor. La corriente elctrica por un conductor se define como "el nmero de electrones libres que pasa una seccin cualquiera del conductor en un momento especfico". Los electrones llevan una carga elctrica medida en COULOMB y podemos decir que la corriente elctrica es la carga elctrica transportada por esos electrones durante el intervalo de tiempo considerado. Si la carga elctrica es de 1Cb y el tiempo es de 1s, se obtendr una corriente elctrica de 1A (inicial de AMPERE, por el fsico francs AMPERE), siendo la unidad de corriente elctrica. En electrnica, esta unidad de medicin resulta grande, por tal motivo se utilizan los submltiplos del ampere. 1mA = 0,001A 1A = 1000mA (miliampere) 1A = 0,000001A 1A = 1.000.000A (microampere) 1A = 0,001mA 1mA = 1000A

una ciudad, como los que usan las compaas de electricidad. Estas fuentes de energa tienen 2 terminales, o polos negativo y positivo, y se dice que existe una tensin elctrica o diferencia de potencial, que produce la fuerza elctrica ya mencionada. Consideremos a una tensin o diferencia de potencial como un "desnivel" que debe existir entre 2 puntos de un conductor para que se produzca un movimiento de electrones y, entonces, una corriente elctrica (figura 2). 2 Algo parecido es lo que sucede en un ro, para que ocurra un desplazamiento de agua: el terreno tiene que estar en desnivel; de una misma forma, si hay una diferencia de potencial en electricidad, sta es comparable a una diferencia de presin entre 2 extremos de una caera que lleva agua o cualquier fluido, y es producida por una bomba. En la atmsfera, el viento es similar a una corriente elctrica, que se produce por una diferencia de presin que existe entre una zona ciclnica y otra anticiclnica. La unidad denominada VOLT, se utiliza para medir la tensin elctrica; se abrevia "V". Una pila de carbn genera entre bornes una tensin de 1,5V, un acumulador de auto genera una tensin de 12V y la que genera la compaa de electricidad es de 220V, en Argentina. Muchas veces, en electrnica usaremos tensiones ms pequeas que el VOLT, pero en electricidad industrial es comn hablar de KILOVOLT (kV), que equivale a 1000V.

1 volt = 1.000 milivolt 1V = 1.000mV 1 volt = 1.000.000 microvolt 1V =1.000.000V 1 volt = 0,001 kilovolt 1V = 0,001kV Corriente elctrica Un flujo de electrones en movimiento como causa de la aplicacin de una fuerza elecromotriz o fuente de tensin a un conductor elctrico es lo que llamamos corriente elctrica. El flujo est formado por electrones libres que, antes de aplicarles la tensin, eran electrones que estaban sujetos por la atraccin de los ncleos de los tomos que constituyen el conductor. En sus trayectos, los electrones libres chocan contra los iones positivos del material y retroceden y vuelven a ser acelerados por la fuerza electromotriz. Los choques

Resistencia elctrica Definamos la resistencia elctrica de un conductor como una propiedad del material que representa la oposicin del mismo frente al paso de la corriente elctrica. La oposicin se origina como con-

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ELECTRONICA?para que tengan ciertos valores de resistencia. En varios casos, los valores en ohm de los resistores son muy altos, utilizando mltiplos del ohm, como, por ej., el kilo-ohm, igual a 1.000 ohm, que tiene una abreviatura k, y el megaohm, igual a 1.000.000 ohm, que tiene una abreviatura M. Entonces: 1k = 1000 1M = 1000000 = = 1000k Podemos agrupar a los resistores (figura 5) en: 1) Resistores de composicin de carbn. 2) Resistores de pelcula metlica. 3) Resistores de alambre. 1) Estos se fabrican mezclando polvo de carbn y un aglomerante hasta darle forma de barrita, para fijar los terminales. El conjunto se encapsula con una resina fenlica o baquelita para protegerlo de la humedad y la temperatura, tiene un rango de valores de resistencia entre 1 y 22M. En electrnica son los resistores ms usados por su bajo costo (figura 6). 2) Estos se fabrican depositando una pelcula metlica, que est a alta temperatura, sobre un tubito de vidrio, al que se fijan

secuencia de los choques entre los electrones libres de la corriente y los iones positivos del metal. La causa de estos choques es el calentamiento del conductor, el que, a su vez, lo transmite al medio ambiente. La resistencia se mide en OHM, llamado as por el fsico alemn que lo descubri. La resistencia elctrica del material depender de tres factores: la longitud, la seccin transversal y la resistividad del material. Veamos cmo es la frmula matemtica: xl R = ______ S (ver fig. 3)

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La resistividad del material () es un nmero y su valor nos muestra si es bueno, o no, pequeo o grande; o sea, cmo es el material como conductor 4 de electricidad, y se mide en x m (fig. 4). Cabe aclarar que, normalmente, la resistividad de un metal aumenta con la temperatura. CONDUCTANCIA: se denomina as a la inversa de la resistencia, se simboliza con la letra G y se mide en mho (al revs de ohm) o en SIEMENS. 1 G= ______ = R La unidad es: mho = SIEMENS

CLASIFICACION DE LOS RESISTORES: Veamos una definicin de los resistores. Son componentes electrnicos fabricados especialmente

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ELECTRONICA?anterior para obtener el valor final de resistencia; la 4 banda representa la tolerancia, cuyo valor se explicar ms adelante (figura 9). La correspondencia entre un color y su valor se muestra en la tabla 1. La tolerancia de un resistor es un nmero expresado en porcentaje, que representa el margen superior o inferior que puede tomar un valor nominal (por el cdigo de colores) del resistor. Ejemplificando, diremos que para resistores de carbn se tienen tolerancias del 5%, 10% y 20%. Si el valor nominal es de 100 y la tolerancia de 10%, el valor real estar comprendido entre 100 y 90; finalmente, para una tolerancia de 20%, el valor real ser entre 120 y 80. LA TOLERANCIA NOS MUESTRA HASTA CUANTO PUEDE ESTAR EL VALOR POR ENCIMA O POR DEBAJO DEL COMPONENTE. Es un mtodo prctico del fabricante para asegurar al usuario los lmites mximos y mnimos del valor de un resistor. Como el proceso de fabricacin no permite establecer valores precisos con anterioridad, en los

los terminales y se los encapsula como dijimos anteriormente. Tienen un alto costo y se usan solamente cuando se necesita una gran exactitud en el valor de resistencia; ejemplo: instrumentos electrnicos (figura 7). 3) Se fabrican arrollando un alambre hecho de aleaciones de cromo, nquel, etc., sobre un cilindro de cermica. El conjunto se recubrir de barniz, as se protege el alambre de la influencia de la humedad y temperatura. Estos son grandes y se utilizan para la conduccin de altas corrientes. El rango de valores de resistencia est entre 1 y 100k (figura 8).

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CODIGO DE COLORES PARA RESISTORES Por el cdigo de colores se lee el valor de resistencia, que est impreso sobre el cuerpo del resistor. Cada color representa un dgito decimal: las 2 primeras bandas de colores, que estn ubicadas ms cercanas de un extremo, representan el valor en ; la 3 banda representa el nmero por el que hay que multiplicar el valor

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ELECTRONICA?Las cifras significativas para una tolerancia del 10% son: 10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82. Para una tolerancia del 5% las cifras significativas de los valores nominales son: 10, 11, 12, 13, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 27, 30, 33, 36, 39, 43, 47, 51, 56, 62, 68, 75, 82, 91. En la figura 10 se dan ejemplos de valores de resistores de composicin de carbn mediante el cdigo de colores. Vea ejemplos de valores de resistores en la figura 10. Digamos que a los resistores se los puede clasificar tambin en variables; stos estn representados por los potencimetros y los presets o preajustes (figura 11). La constitucin de los potencimetros se debe a una pista circular de carbn desplazndose por un contacto mvil (cursor) solidario a un eje vertical. Los extremos de la pista de carbn y el cursor tienen una conexin a terminales, es decir, que la resistencia entre uno de los terminales y el cursor depende de la posicin de ste (figura 12). En el primer caso, los potencimetros pueden ser lineales o logartmicos; la variacin de resistencia es proporcional al ngulo girado por el cursor, y en el 2 caso la variacin es logartmica, esto hace que, al comienzo, la resistencia vare con rapidez con el ngulo de giro; despus la variacin ser ms lenta y tendr un uso comn en el control de volumen de radios y TV. Llamamos presets a los resistores variables que se ajustan una sola vez, hasta lograr una perfecta posicin, y que no

potencia tiene un significado Tabla 1 de la mxima cantidad de caCOLOR DIGITO MULTIPLICADOR lor que puede dar el resistor NEGRO 0 1 por el paso de MARRON 1 10 corriente y, si ROJO 2 100 sta excede, se NARANJA 3 1000 quemar por la AMARILLO 4 10000 alta temperatura VERDE 5 100000 obtenida. Se miAZUL 6 1000000 de en watt (W). VIOLETA 7 10000000 Los resistores de GRIS 8 carbn se fabriBLANCO 9 can de 1/8W; DORADO 0,1 1/4W; 1/2W; 1W PLATEADO 0,01 y 2W, y el tamaresistores de composicin de caro aumenta gradualmente con la bn la convencin es sta: potencia. Para mayores potencias se utilizan resistores de alambre; COLOR DE LA TOLERANCIA los de pelcula metlica pueden 4 BANDA disipar hasta 1W. Los resistores de composicin de carbn se fabriDORADO 5 % can con valores nominales de rePLATEADO 10 % sistencia ya normalizados y el nSIN COLOR 20 % mero depender del valor de la tolerancia. Para una tolerancia del La potencia de un resistor no 20%, las cifras significativas de los viene impresa en el resistor, pero valores nominales son: 10, 15, 22, se reconoce por su tamao. Esa 33, 47, 68.

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ELECTRONICA?denomina diferencia de potencial o tensin de la pila. La tensin V depender de los materiales de los electrodos y del electrolito. Por ejemplo, una pila de cinccarbn tiene una tensin: V = 1,5V. Si conectamos una lamparita entre los electrodos, sta iluminar ya que se producir el pasaje de los electrones desde A hasta B a travs de ella, y se cerrar el circuito por medio de la solucin electroltica. Mientras este fenmeno sucede, uno de los electrodos (B) se va consumiendo, mientras que el otro se va engrosando por la deposicin de material sobre su superficie. La reaccin qumica continuar hasta que B se consuma en su totalidad; en ese momento, la lamparita se apagar porque la corriente se detuvo (figura 15). En una pila seca, el electrolito es una pasta hmeda (pilas comunes) mientras que se denominan hmedas cuando el electrolito es un lquido (acumulador de plomo utilizado en los autos). La pila seca ms comn es la de cinc-carbn y la desarroll Le Clanch (1869), tiene un bajo costo y es de uso general. Pero tienen desventajas, como, por ejemplo,

tienen posibilidad de ser variados por los usuarios. El tamao es reducido y tiene un ajuste con un pequeo destornillador, que es aplicado a una ranura que tiene el contacto mvil.

Pilas y bateras Los componentes bsicos capaces de suministrar una tensin continua estable a un circuito electrnico son las pilas, con la capacidad de generar una tensin elctrica por medios qumicos. La ms comn est formada por un electrolito (sal, cido o base disuelto en agua) y 2 electrodos. Veamos cmo se comporta un electrolito cualquiera, diluido en agua; ej. el clo- 12 ruro de sodio (fig. 13). La sal es elctricamente neutra, pero cuando se disuelve en el agua se disocia en los iones que la componen, es decir, en iones positivos de sodio y en iones negativos de cloro. Si sumergimos 2 electrodos consistentes en 2 metales diferentes A y B, una determi-

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nada cantidad de iones negativos ser atrada por el electrodo A y otra porcin de iones positivos ser atrada por el electrodo B; entonces, A se carga negativamente y B, positivamente (figura 14). A la diferencia de carga elctrica que existe entre A y B, se la

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ELECTRONICA?pie): el exceso de electrones pasar desde nosotros hacia el objeto con acompaamiento de chispas; esto es un ejemplo de electricidad esttica. GENERACION POR LUZ: Hay determinados materiales, como el selenio, germanio, sodio, etc., que pueden llegar a liberar electrones cuando incide sobre ellos la luz, como una forma de energa: el fenmeno lo conocemos como EFECTO FOTOELECTRICO. Las pilas fotovoltaicas o pilas solares utilizadas en los satlites artificiales reciben energa del sol y la transforman en tensin elctrica, mantienen as el funcionamiento de diversos equipos electrnicos que tiene un satlite; en la actualidad se utiliza para la calefaccin del hogar, y automviles, ste en forma experimental.

que su capacidad (o energa de pila) depende de la velocidad de descarga y de la temperatura (debajo de la congelacin son ineficaces), trabaja mejor en un uso intermitente.

Otras formas de generar tensin

15GENERACION POR PRESION: Cuando ejercemos una presin sobre determinados materiales, la fuerza de la presin se transmite a los tomos del material, saca los electrones de sus rbitas y los empuja en la direccin de la fuerza. Estos se acumulan en uno de los lados del material y dan origen a cargas elctricas en los lados opuestos del mismo. Este fenmeno se denomina EFECTO PIEZOELECTRICO, y es ms notorio en determinados cristales de cuarzo, llamados sales de Rochelle y en ciertos materiales cermicos (titanato de bario). Para comprender mejor el efecto piezoelctrico mencionemos a las cpsulas fonogrficas, micrfonos, encendedores.

GENERACION POR TEMPERATURA: Si ponemos en contacto 2 metales distintos, puede haber transferencia de electrones de uno al otro, porque algunos materiales liberan electrones con mayor facilidad que otros, mientras otros lo aceptan. Hay materiales muy activos que liberan electrones an con la energa trmica de la temperatura ambiente (cobre y el cinc). Si unimos una varilla de cobre con una de cinc, los electrones liberados de los tomos de cobre pasarn al cinc; entonces, el cobre queda cargado positivamente y el cinc negativamente, la energa a la temperatura ambiente es muy pequea, se puede aumentar la tensin generada si se calienta la unin de los metales; es a lo que denominamos TERMOELECTRICIDAD y el dispositivo formado por la unin de los 2 metales se denomina TERMOCUPLA, la tensin que sta genera es proporcional a la temperatura de la unin de los metales, es decir, a mayor temperatura, mayor tensin. Una aplicacin prctica directa de la termocupla es la de medir temperaturas en lugares inaccesibles para el hombre; ejemplo: el interior de un horno.

GENERACION POR MAGNETISMO: Cuando un conductor elctrico se mueve en el campo magntico creado por un imn, aparece una tensin elctrica entre los terminales de un conductor, por la energa de magnetismo que transmite al conductor. Se utiGENERACION POR FRICliza para liberar electrones, de tal CION: Se denomina, en la mayoforma que en un extremo tiene un ra de los casos, electricidad estti- exceso de carga negativa por la ca y se produce cuando se frotan acumulacin de electrones, y, en 2 materiales diferentes (seda y una el otro, tiene un exceso de carga varilla de vidrio); por ejemplo positiva. cuando la carga elctrica se acuLa tensin generada depender mula en nuestros zapatos cuando del conductor dentro del campo caminamos sobre una alfombra magntico y de la velocidad con gruesa de lana, y luego tocamos que se moviliza el conductor denun objeto metlico (lmpara de tro del campo magntico. FIN

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LECCION 2TEORIA: LECCION N 2

Conduccin de la Corriente ElctricaVimos en la leccin N 1 que la electricidad puede manifestarse en forma natural o artificial y que esto es debido a la ruptura del equilibrio elctrico de los tomos Sin embargo, los electrones liberados por alguna causa fluyen en algunos materiales con mayor facilidad que en otros. En esta leccin veremos los conductores de la corriente elctrica, los aislantes y la relacin existente entre campo elctrico y corriente elctrica.

Los conductores y los aislantes El hecho de que algunos cuerpos pueden retener la electricidad y que otros permiten que se escape, nos revela que en la naturaleza existen dos comportamientos de este "fluido" representado por las cargas. De hecho, los dos grupos de cuerpos sern estudiados en esta leccin. Veremos que en un caso se trata de los denominados aislantes y, en el otro, de los conductores. Los dos tipos de material tienen igual importancia en la electricidad electrnica modernas y son utilizados en una infinidad de aplicaciones. Conocer las

propiedades de estos materiales es muy importante en el estudio de la electrnica.

La electricidad como fluido Ya vimos en las lecciones anteriores que podemos sacar con cierta facilidad electrones de un cuerpo (de sus tomos) y llevarlos a otro que quedar con exceso de estas partculas. El pasaje de electrones de un cuerpo a otro, cuando puede ser establecido, tiene mucha importancia en nuestro estudio, pues es lo que puede llevar energa de un punto a otro, as permiten la apli-

cacin prctica de la electricidad. En las lecciones siguientes haremos un estudio detallado de este pasaje. Lo importante para nosotros es saber que las cargas elctricas, constiutidas por los electrones, pueden no slo saltar de un cuerpo a otro en forma de chispas, como vimos en el caso del rayo, sino tambin moverse a travs de ciertos materiales, como en el caso del cable utilizado en el pararrayos o de la cadena fijada al camin de combustibles (figura 1). Mientras tanto, existen tambin cuerpos en que la electricidad queda "atrapada", como en el caso del peine frotado, en que los elec-

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CONDUCCIONtrones ganados se mantienen en la posicin en que son colocados, o la falta de electrones permanece en el lugar de donde fueron retirados (figura 2). El movimiento de electrones en un cuerpo es posible si tienen una cierta libertad en el interior del 1 material que lo constituye. Luego veremos de qu modo ocurre sto. Para nosotros, entonces, es importante saber que existen tipos de materiales, en los que las cargas no se puede mo2 ver, que son denominados aislantes, y materiales en los que las cargas se mueven con facilidad, que son denominados conductores. Recuerde: Conductores son materiales en los que las cargas elctricas se pueden mover con facilidad. Aislantes son materiales en los que las cargas no tienen movimiento libre. Sabemos que existen materiales que pueden ser electrizados de diferentes formas (serie triboelctrica), lo que revela que existen tomos que tienen ms dificulta-

DE LA

CORRIENTE ELECTRICApues aunque el cuerpo posee otros electrones disponibles, sos no pueden ocupar el lugar vaco. Del mismo modo, si agregamos un electrn al material, se quedar en ese lugar, pues no tiene facilidad para moverse (figura 3). Por otro dado, existen materiales en los que los electrones son libres y pueden moverse con mucha facilidad en su interior. Esto ocurre, por ejemplo, en los metales. Si cargamos un cuerpo metlico con una cierta cantidad de cargas, agregando electrones libres, por ejemplo, estos electrones se pueden mover "saltando de tomo en tomo hasta distribuirse de manera ms o menos uniforme (figura 4). Si por otro lado, sacamos una cierta cantidad de electrones apenas de un punto de este cuerpo,

des en perder sus electrones que otros. As, para los materiales en que los elementos estn firmemente unidos a los tomos, existe mucha dificultad para que ocurra un movimento de cargas. Si sacamos un electrn de un lugar, este lugar quedar libre,

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CONDUCCION

DE LA

CORRIENTE ELECTRICAlos electrones de las cercanas "corren" a llenar el vaco formado y forman "nuevos vacos" en otros puntos con una distribucin tambin uniforme de las cargas positivas (vacos). Figura 5. En este punto el lector debe prestar atencin a este hecho. Cuando hablamos de un cuerpo cargado negativamente, las cargas que se mueven o que participan del proceso, los que se pueden mover, son electrones. Pero, cuando hablamos de un cuerpo cargado positivamente, o sea, en que existe una falta de electrones, en verdad nada existe que se pueda mover! Podemos, sin embargo, para ayudarnos en nuestro razonamiento, hablar de "falta de electrones" o lagunas (vacantes o vacos) que se mueven. As, mientras en un cuerpo cargado negativamente los electrones se distribuyen en su superficie, en un cuerpo cargado positivamente son las lagunas las que se distribuyen en su superficie (figura 6). Recuerde: Solamente los electrones pueden moverse. Cuando hablamos de cargas positivas, olvidamos que los protones estn fijos y, razonando, decimos que las lagunas se mueven. Volviendo al problema de los materiales conductores, vemos que la facilidad de movimiento, tanto de los electrones como de las lagunas, es total. Los electrones pueden saltar de tomo en tomo, mientras que las lagunas son llenadas por tomos adyacentes que saltan libremente

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7y provocan su desplazamiento (figura 7). Entre los materiales considerados aislantes, en que los electrones tienen grandes dificultades para moverse, tenemos: el vidrio, el papel seco, el plstico, la mica, la porcelana, la cermica, etc. Entre los materiales considerados conductores tenemos: los metales, el grafito, etc. Recuerde: Los conductores son materiales en que los electrones tienen movimiento libre. Los conductores poseen muchos electrones libres. decirlo, y desplazarse en el medio lquido. Estos tomos, que pueden tener falta o exceso de electrones y que se desplazan en un medio lquido, son denominados "iones" (expresin griega que traducida es "caminante"). Los iones positivos se llaman "cationes" y los negativos "aniones" (figura 8). El agua pura, formada exclusivamente por molculas del tipo H2O (agua destilada) es un aislante excelente. Las cargas elctricas no se mueven a travs de ella. Sin embargo, si disolvemos en esta agua una sustancia como la sal de cocina, que est forma da por tomos de cloro y sodio (NaCI), las partculas de sodio y cloro se disocian en aniones de cloro(CI-) y cationes de sodio (Na+), figura 9. Con esto, los aniones y cationes existentes en solucin pueden servir de "medio de transporte" para las cargas elctricas y el agua en estas condiciones se

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Tipos de conductores

9son los metales (que son los mejores conductores) y el grafito. b) Lquidos Determinados lquidos tambin permiten que las cargas elctricas se muevan. Estas cargas, en verdad, se mueven junto al propio tomo que puede "nadar", por as

Podemos clasificar los materiales conductores en tres grupos: a) Slidos Los materiales slidos que conducen la electricidad, o sea, en los que las cargas se pueden mover,

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CORRIENTE ELECTRICA

10vuelve conductora. Haremos en el futuro experiencias para demostrar esto. Muchas sustancias del tipo sal (cloruro de sodio, bicarbonato de sodio, sulfato de cobre), del tipo cido (cido sulfrico, cido clorhdrico, etc.) o bien de tipo base (hidrxido de sodio, o sea soda custica) cuando se disuelven en agua tambin se disocian y forman as una solucin conductora. Vea que, en el total, cuando disolvemos sal en agua, separamos partculas positivas y negativas, pero en cantidades iguales, los que quiere decir que el agua que tenemos mantiene su neutralidad. Recuerde: Sales, cidos o bases, cuando son disueltos en agua, la vuelven conductora de la electricidad. El agua pura es un excelente aislante. c) Gaseosos Los gases, en condiciones normales, o sea neutros, son excelentes aislantes y no permiten que las cargas elctricas se muevan con facilidad. Pero, si por medio de una buena cantidad de energa conseguimos arrancar electrones de los gases, de modo que pasen a quedar en un estado de electrizamiento denominado "ionizacin", entonces se convierten en excelentes conductores. En los gases ionizados ocurren fenmenos interesantes, como por ejemplo, la emisin de luz, lo que es aprovechado para la fabricacin de las lmparas fluorescentes (figura 10). El aire, que es aislante en condiciones normales, se vuelve conductor por accin de una descarga fuerte como la producida por el rayo, que entonces puede atravesarlo con facilidad. Recuerde: Los gases ionizados son excelentes conductores de electricidad. Un poco de clculos Hasta ahora dimos interesantes explicaciones sobre cmo funcionan las cosas en lo que se refiere a cargas elctricas y su movilidad. El nico valor numrico que vimos fue la llamada carga elemental, que era: e = 1,60 x 10-19 C A partir de este valor y de otros que daremos a continuacin, vamos a "jugar" un poco con los clculos para aprender cosas interesantes sobre la electricidad: Como vimos, cada tipo de sustancia simple (elemento) posee un tomo con cantidades diferentes de partculas internas (protones y

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CONDUCCIONneutrones). As, en funcin de esta cantidad podemos saber exactamene cuntos tomos de una cierta sustancia existe en una cantidad cualquiera que tomamos de ella. Verificamos entonces que, si dividimos esta cantidad de una sustancia por el "peso" relativo de las partculas que forman el tomo, obtenemos un nmero constante. De este modo 1 gramo de hidrgeno tiene la misma cantidad de tomos que 16 gramos de oxgeno, que a su vez, tiene la misma cantidad de tomos que 108 gramos de plata y 197 gramos de oro (figura 11). El nmero de partculas (tomos) es enorme: n = 6,02 x 1023 Esto significa 6 seguido de 23 ceros! Todos esos tomos en apenas algunos gramos de material! Suponiendo que en un metal, como el oro, cada tomo pueda contribuir con un electrn libre, en un trocito de, digamos, 1 gramo, tendremos nada ms y nada menos que 1022 electrones disponibles (10 seguido de 22 ceros, para los que no estn familiarizados con la anotacin exponencial). Estos electrones forman, en el interior del metal, una especie de "nube" que se est "agitando" constantemente. Verificamos que los electrones pueden incluso ver aumentada su cantidad con la elevacin de la temperatura, fenmeno de gran importancia en electrnica. Qu ocurre si multiplicamos la cantidad de electrones libres que

DE LA

CORRIENTE ELECTRICAqu estado especial existe en torno de un cuerpo cargado, para que su influencia se haga sentir a distancia? Qu ocurre cuando una gran cantidad de cargas elctricas se mueve en un material conductor? Todo esto ser el tema de esta leccin. Veremos de qu modo la "influencia" de las cargas en un cuerpo se "propaga" por el espacio y provoca el movimiento de cargas incluso a la distancia y de qu modo un flujo de cargas forma una corriente, un movimiento muy especial para las aplicaciones prcticas.

tenemos en un trocito de metal por la carga de cada electrn? Evidentemente, obtenemos la carga total, en Coulombs, del pedacito de metal en cuestin. Suponiendo que nuestro trocito de metal tenga 10 electrones y que la carga de cada uno sea e = 1,60 x 10-19 C, tenemos: Q = 1022 x 1,6 x 10-19 Q = 1,60 x 103C Q = 1.600 Coulomb Ser mucho o poco, esto?, se preguntar el estudiante. A ttulo de curiosidad, si la lmpara de su cuarto est encendida en este momento consume energa a razn de apenas una carga de 1/Coulomb por segundo. Una carga de 1.600 Coulomb, ciertamente, quemara esta lmpara y si los electrones no estuvieran "equilibrados" en el interior del metal y pudieran revelar toda su "fuerza", bastara que usted tocara un trocido de oro para morir instantneamente fulminado! En verdad, en la prctica, no podemos manejar sino una parte muy pequa de los electrones que estn libres en el metal, para agregar o quitar algunos. De ningn modo podemos contar con todos en los procesos elctricos. La propia Tierra entera, que es un conductor, si se cargara no podra brindarnos una carga mayor que un simple Coulomb! Campo elctrico y corriente elctrica Qu hace que las cargas elctricas se muevan en un cuerpo?

El campo elctrico Un cuerpo cargado de electricidad, ya sea positiva o negativa, se comporta de manera muy especial. Otros cuerpos tambin poseedores de cargas elctricas, colocados en las proximidades de aqullos, quedarn sujetos a la accin de fuerzas. Si las cargas de los cuerpos prximos fueran de signos opuestos, la fuerza ser de atraccin, mientras que si las cargas fueran del mismo signo, la fuerza ser de repulsin, como ilustra la figura 12. Podemos decir que el espacio en torno de un cuerpo cargado queda lleno de algo invisible, algo que corresponde a la accin de naturaleza elctrica sobre los cuerpos que tambin estn cargados. El espacio en torno de un cuerpo cargado goza de propiedades especiales que pueden explicarse por la presencia de una entidad

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CONDUCCIONllamada "campo elctrico", normalmente representada por la letra E. El campo elctrico no es algo fsico, en el sentido que podamos verlo, pero s una entidad fsica que describe un estado alrededor de un cuerpo cargado. Para representar este estado usamos entonces lneas imaginarias, denominadas lneas de cam12 po. El conjunto de estas lneas imaginarias alrededor de un cuerpo cargado representan su campo elctrico. Por una convencin, las lneas son orientadas que salen de los cuerpos cargados positivamente y entrando en los cuerpos cargados negativamente, como muestra la figura 13. En el primer caso, tenemos la representacin del campo de una carga 13 positiva (a); en el segundo, el campo de una carga negativa (b) y, en el tercero, el campo provocado por dos cargas de signos opuestos prximos, lo que se llama "dipolo". Recuerde: Las lneas de fuerza de un campo elctrico son lneas imaginarias que salen de las cargas positivas y llegan a las cargas negativas. Vea que las lneas se diluyen cuando estn ms lejos de las car- 14

DE LA

CORRIENTE ELECTRICAgas, lo que indica el debilitamiento del campo. Una carga elctrica (un electrn, por ejemplo) colocado en el campo elctrico de una carga cualquiera, queda sujeta a una fuerza que est siempre orientada en el sentido de coincidir o ser tangente (tocar la lnea de fuerza del campo en el lugar considerado), figura 14. Las propiedades principales que poseen las lneas de fuerza son: * Siempre salen de los cuerpos positivos y llegan a los negativos. * Nunca se cruzan. * Estn ms concentradas donde el campo es ms fuerte.

Un poco de clculo La intensidad del campo elctrico en un determinado punto del espacio, a una cierta distancia de la carga que lo produce, puede ser calculada. Este clculo tiene gran importancia en los estudios de electroesttica y en consecuencia para la electrnica. La frmula usada para realizar este clculo tiene cierta semejanza con la Ley de Coulomb, como podemos ver, lo que demuestra el mismo tipo de "accin" para los dos fenmenos. Teniendo como base la ilustracin de la figura 15, la frmula

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CONDUCCIONque nos permite calcular la intensidad del campo elctrico en el punto P del espacio es: 1 Q E = _____ . ___ 40 d2 Donde: E es la intensidad del campo medida en N/C (Newtons por Coulomb) 1/40 es la constante

DE LA

CORRIENTE ELECTRICA

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que vale 9 x 109 N. m2/C2 Q es la carga que pro- 16 voca el campo en Coulomb d es la distancia de la carga al punto P Como vimos, una carga elctrica colocada en un punto del espacio, sujeta a la accin de un campo, es forzada a moverse. La fuerza que aparece en el caso puede ser calculada por la expresin: F=QxE donde: F es la fuerza en Newtons Q es el valor de la carga que es colocada en el punto P en

cargado negativamente y dirigirse al cuerpo cargado positivamente (figura 16). Si hubiera un medio conductor entre los dos cuerpos que permita el movimiento de estas cargas, los electrones podrn desplazarse con cierto orden, pasando de un cuerpo hacia el otro. Los electrones saltarn de tomo en tomo, as formarn un flujo de cargas. Decimos que el movimiento ordenado de cargas elctricas que ocurre en este Coulombs caso se denomina "corriente d es la distancia en metros has- elctrica" (figura 17). ta la carga que produce el campo. Un problema ejemplo de apliRecuerde cacin es el siguiente: Corriente elctrica es el movimiento ordenado de cargas elctricas. La corriente elctrica En el caso especfico que toSi tuviramos dos cuerpos car- mamos de ejemplo, en que el gados con cargas de signos conductor es el metal, el moviopuestos, el campo elctrico que miento real es de cargas negativas existe en torno de ellos es tal que (electrones), pero puede ser de procurar mover las cargas de uno otro tipo de partculas, como por hacia el otro en el sentido de esta- ejemplo, los iones, en los casos blecer su neutralidad. Los electro- de los gases y soluciones. Est nes tendern a salir del cuerpo claro que slo los protones no

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CONDUCCIONpueden moverse en realida, por estar presos en los ncleos de los tomos. Por otro lado, los electrones que se mueven de un cuerpo hacia otro, no lo 18 hacen todos instantnemente. Existe un lmite para la cantidad y la velocidad con que ocurre el pasaje. La cantidad y la velocidad son establecidas por la intensidad del campo y, naturalmente, por la capacidad que el conductor tenga de permitir que las cargas se muevan. Si consideramos un intervalo de tiempo en que no hay alteracin percepti- 19 ble en la carga total de las esferas, vemos que el flujo de cargas en el conductor se mantiene constante. Podemos entonces hablar de una intensidad para este flujo, que va a corres- 20 ponder a la intensidad de la corriente elctrica (figura 18). La intensidad de una corriente corresponde entonces a la cantidad total de carga que pasa en cada segundo por un conductor. Si en 1 segundo la carga que pasa por un determinado punto del conductor equivale a 1 Coulomb, diremos que este conductor est siendo recorrido por una corriente de 1 ampere (1A), (figura 19). Recuerde: Una corriente de 1 ampere (1A) equivale al pasaje de 1 Coulomb de cargas elctricas en cada

DE LA

CORRIENTE ELECTRICA(carga elemental) Tenemos: n = 1/1,6 x 10-19 n = 6,25 x 1018 electrones! Piense, amigo estudiante, qu impresionante! En cada segundo, pasa por el filamento de la lmpara que ilumina su sala, ms o menos la cantidad de 6, seguida de 18 ceros de electrones (tomando como ejemplo una lmpara de 100W).

Corriente electrnica y corriente convencional Observe un hecho interesante: como las nicas cargas que se pueden mover, en realidad, son los electrones, las corrientes elctricas fluyen desde los cuerpos negativos hacia los cuerpos positivos (figura 20). Esta corriente se denomina corriente electrnica, pero no siempre es considerada en el estudio de la electricidad. De hecho, sabemos que los nmeros negativos son menores que los positivos, lo que vuelve muy extrao decir que el agua fluye de un lugar de menos presin (negativo) hacia uno de mayor presin (positivo), cuando en realidad ocurre todo lo contrario. Si las cargas que se mueven fueran las positivas, las cosas podran ser explicadas del mismo modo y no tendramos este pro-

segundo, por un punto de un conductor. Sera interesante calcular a cuntos electrones corresponde este pasaje: Sabiendo que la carga elemental vale 1,60 x 10-19, bastar verificar cuntos electrones existen en 1 Coulomb de carga: n = Q/e Donde: n es el nmero de electrones Q es la carga total e es la carga de un electrn

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CONDUCCIONblema. Pero, si no podemos ver los electrones o cargas de ninguna especie, qu nos impide "imaginar" el fenmeno como si ocurriera en sentido "contrario"? De hecho, cuando una carga negativa sale de un cuerpo (electrn) y va a neutralizar otra positiva en 21 un cuerpo cargado de este modo, el efecto final es cero, lo mismo que si considerramos una carga positiva que sale del que est cargado de este modo y va hacia el otro (figura 21). En verdad, el efecto de considerar que los electrones saltan hacia la esfera de la derecha, como mues- 22 tra la figura 22, corresponde exactamente a la formacin de "vacos" o "agujeros" que se desplazan hacia la izquierda, que a su vez corresponden justamente al movimiento "contrario" de cargas positivas.

DE LA

CORRIENTE ELECTRICAdad, es comn hacer este tipo de represenacin. En este caso, decimos que estamos representando la corriente convencional y no la corriente real o electrnica. Recuerde: Cuando hablamos de corriente o convencional nos referimos al movimiento de cargas positivas, que van del polo positivo (cuerpo positivo) al polo negativo (cuerpo negativo).

Velocidad de la corriente Usted acciona el interruptor de la luz y zas!, la luz se enciende instantneamente. Por ms largo que sea el cable, no conseguir notar retraso alguno entre los dos momentos: el accionamiento del interruptor y el encendido de la lmpara son simultneos.

Todo esto significa que podemos perfectamente representar corrientes elctricas que salen de cuerpos positivos (polos positivos) y van hacia cuerpos negativos, sin que esto est equivocado. En ver-

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CONDUCCIONEn verdad, lo que ocurre es que el fenmeno de la accin de la electricidad es instantneo, mientras que la velocidad de las cargas en s no lo es.

DE LA

CORRIENTE ELECTRICAejemplo, vemos que en realidad, significa 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10, o sea un 10 para cada cero que el nmero tiene. Como son 6 ceros o 6 veces 10 x 10, escribimos simplemente 106. En el caso de un nmero como 2.500.000, el procedimiento es el mismo. En este caso podemos escribir 2,5 x 1.000.000 o simplemente 2,5 x 106. Para los nmeros menores de 1, se hace lo mismo. Para escribir 0,000.001 (un millonsimo), tenemos que vale 1/10 x 1/10 x 1/10 x 1/10 x 1/10 x 1/10. Escribimos entonces simplemente 10-6 porque la fraccin 1/10 es usada 6 veces. Vea que el exponente negativo corresponde al nmero de casas o lugares hacia la derecha que tenemos que correr la coma para tener el nmero entero 1. Igualmente, un nmero como 0,000.003 puede ser escrito como 3 x 10-6. "Por qu toda esta confusin de corriente electrnica y corriente convencional, que circulan en sentidos opuestos? En verdad, el gran problema surge por haberse llegado en un principio a la convencin de que los electrones son negativos. Nada nos indica que sean realmente "negativos". Sabemos que se comportan de modo opuesto a los protones y para diferenciar este comportamiento, se lleg al acuerdo de decir que unos eran negativos y otros positivos. Desgraciadamente, si as podemos decir, habran tal vez menos dificultades para la comprensin de los fen-

Aclaraciones

"Existen conductores y aislantes perfectos?" En verdad, no existe aislante alguno que sea perfecto como Analicemos el fenmeno: tampoco existe conductor perfecCuando usted acciona el inteto. Incluso en los mejores aislanrruptor el establecimiento del tes, siempre existe la posibilidad campo elctrico (accin) en el de que hayan algunos electrones conductor se propaga con una ve- libres que, pudiendo moverse, locidad muy grande, del orden de sean un medio de transporte para los 300.000 km por segundo... o las cargas. Del mismo modo, no sea la velocidad de la luz! Esta todos los electrones de un conaccin hace que prcticamente to- ductor tienen total libertad de modos los electrones que tienen mo- vimiento. La facilidad con que las vilidad pasen a saltar de tomo en cargas se mueven en un material tomo en la direccin que corres- es lo que determina hasta qu ponde a la circulacin de la copunto es un buen conductor. rriente (figura 23). As, entre los metales tenemos Pero la velocidad media de los conductores mejores, como el oro, electrones en este movimiento es la plata y el cobre y conductores muy pequea, del orden de apepeores, como el zinc, el aluminio, nas algunos centmetros por seel hierro. gundo y hasta menos! Podemos expresar el hecho de Debemos entonces distinguir la que un metal es mejor conductor accin con que la corriente se es- que otro por una magnitud llamatablece en el conductor, que es da "conductividad" o bien por la muy rpida, de la velocidad de los movilidad de los electrones. Al fielectrones que, en s, es muy penal de esta leccin damos una taquea. bla de informacin. Recuerde: Los electrones se mueven con una velocidad relativamente pequea en los conductores. La accin elctrica, por otra parte, se propaga con una velocidad enorme: 300.000 km por segundo. Los estudiantes ya habrn percibido la importancia de los materiales conductores en la electricidad, ya que pueden llevar la electricidad de un punto a otro. "No entiendo bien cmo trabajar con potencias de 10. Cmo entender lo que significan nmeros como 10-19 1022?" Las potencias de 10 son usadas cuando trabajamos con nmeros muy grandes o muy pequeos. En lugar de tener que escribir muchos ceros antes o despus de un nmero, indicamos en forma de una potencia de 10 cuntos son estos ceros. Si quisiramos representar el nmero 1.000.000 por

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CONDUCCION

DE LA

CORRIENTE ELECTRICAlas pilas. Para que haya flujo constante de corriente, el circuito deber estar cerrado o completo. Ahora, si un circuito se interrumpe en cualquier punto, la corriente dejar de fluir y se dice que es un circuito abierto; ste puede abrirse deliberadamente por medio de un interruptor, u ocurrir como consecuencia de fallas o desperfectos en un cable o una resistencia quemada, por ejemplo. Por lo general se usan fusibles como proteccin del circuito contra excesos de corrientes que puedan perjudicar la fuente de tensin. Sepamos que el fusible tiene la funcin de abrir el circuito cuando la corriente excede el valor lmite, ya que en un circuito serie abierto no hay flujo de corriente, y no hay cada de tensin sobre las resistencias que forman la carga. En el circuito de corriente continua, la resistencia es lo nico que se opone al paso de la corriente y determina su valor. Si el valor de la resistencia fuera muy pequeo, la corriente a travs del circuito sera demasiado grande. Por lo tanto, el cortocircuito es la condicin de resistencia muy baja entre los terminales de una fuente de tensin. Se dice que un circuito est en corto cuando la resistencia es tan baja que el exceso de corriente puede perjudicar los componentes del circuito; los fusibles y los tipos de interruptores automLAMPARA ticos protegen a los circuitos (CARGA) contra el peligro de los cortocircuitos. FIN

menos elctricos, en muchos casos, si la eleccin, a la hora de "bautizar" estos nuevos conceptos, huAL APLICAR CARGAS ELECTRICAS A biese sido hecha al revs. UN CONDUCTOR, SE PRODUCE UNA Pero esto no debe constiCORRIENTE ELECtuirse en un problema paTRICA QUE DESAPARECE CUANDO ra el estudiante. Imagine, SE NEUTRALIZAN DICHAS CARGAS al analizar un circuito en 24 que la corriente sea la ra la circulacin, por un momenconvencional, que son las cargas to, de flujo de corriente elctrica, positivas las que se mueven y todo estar resuelto, aunque en rea- hasta que las cargas de los extrelidad usted sepa que no es lo que mos se hayan neutralizado, tal como se muestra en la figura 24. ocurre realmente. Para que en un conductor haya corriente elctrica, los electrones "Por qu en la definicin de libres debern moverse constantecorriente elctrica debemos sumente en una misma direccin, lo poner que las cargas de los cuerpos cargados, interconecta- que se consigue por medio de una fuente de energa para aplicar dos, permanecen constantes?" las cargas de signo contrario a los Esto es necesario, porque si con el flujo de cargas de uno para extremos del conductor; las cargas negativas sern atradas por las el otro, fuese ocurriendo su neucargas positivas del otro extremo. tralizacin y su consiguiente disPor cada electrn que d la fuente minucin, la fuerza responsable al conductor por el lado negativo, del flujo de electrones ira dismiexistir otro en el lado positivo; nuyendo. De este modo, la coentonces la corriente fluir de marriente no sera constante, sino nera constante mientras se manque ira decreciendo a medida tengan aplicadas al conductor las que la propia carga de los cuercargas elctricas de la fuente de pos fuera disminuyendo. Es un artificio que usamos para energa, llamndose, as, circuito cerrado o completo (figura 25). la explicacin, pero que se usar Un claro ejemplo de fuentes de cuando queramos tener una coenerga elctrica son las bateras y rriente permanente. Qu es un circuito elctrico? La aplicacin de cargas elctricas con signo contrario a los extremos de un conductor no es suficiente para lograr una corriente elctrica constante, pues solo se logra- 25

BATERIA (TENSION)

I - CORRIENTE

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LECCION 3TEORIA: LECCION N 3

Los efectos de la Corriente ElctricaEl desplazamiento de las cargas elctricas por un medio determinado, o sea la circulacin de la corriente elctrica, puede ser responsable de diversos efectos. La energa comprendida en el movimiento de las cargas puede sufrir transformaciones y emplearse para producir trabajo. Se dice que una fuerza realiza un trabajo cuando puede usarse para alterar el estado de un cuerpo. Cuando elevamos un cuerpo de un nivel a otro, alterando as su estado (energa potencial), estamos realizando un trabajo; lo mismo sucede cuando comprimimos un resorte o calentamos un cuerpo. Veremos tambin en esta leccin de qu modo los diversos efectos de la corriente elctrica pueden usarse en aplicaciones prcticas, en la construccin de algunos dispositivos.

El efecto trmico de la corrienteSegn estudiamos, existen materiales conductores y aislantes. Pero no existen ni conductores perfectos ni aislantes perfectos. En el caso del conductor, siempre existe una pequea "dificultad" para el paso de la corriente elctrica, de manera que para lograrlo, las cargas se ven obligadas a gastar una cierta cantidad de energa.

Se puede "medir" la energa disponible en el circuito por su tensin en relacin a una referencia. Es as que si conectamos un conductor entre los polos de una pila, veremos que circula una corriente que est determinada por sus caractersticas. El hecho es que para pasar por este conductor, como muestra la figura 1, habr que gastar energa, lo que significa que en cada pun-

to el potencial "cae" hasta alcanzar el mnimo cuando se ha completado el recorrido. Adnde va la energa gastada en este caso? Un conductor como el indicado convierte la energa elctrica en calor. El "esfuerzo" de las cargas para pasar por el conductor provoca la agitacin de sus tomos, lo que se traduce, en funcin del efecto,

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LOS EFECTOScomo calor. Un cuerpo con "poca agitacin" de sus tomos est a una temperatura ms baja que el que tenga "mucha agitacin". La cantidad de "calor" generado en un conductor por el pasaje de corriente depende de dos factores: de la tensin existente entre los extremos y de la corriente circulante. (La corriente depende de un tercer factor que se estudiar ms adelante.) Aplicaciones prcticas: Podemos aprovechar este efecto trmico de la corriente para construir diversos dispositivos. Podemos citar los ca1 lefones elctricos, que se usan en lugares donde no llega el gas natural, las canillas elctricas y los calefactores de ambientes. En stos hay un cable de nicromo (aleacin de nquel y cromo) que, al ser recorrido por la corriente, se calienta bastante y produce el calor que nos rporporcionan esos 3 aparatos (figura 2).

DE LA

CORRIENTE ELECTRICASe usa nicromo para dificultar el pasaje de la corriente, ya que facilita la produccin de calor y porque resiste temperaturas altas. El efecto trmico de la corriente consiste en la transformacin de energa elctrica en calor.

El efecto luminosoSi se calienta un cuerpo a temperatura muy alta, puede emitir luz visible. Si se calienta una barra de hierro, llega hasta el punto en que se pone "incandescente" y emite luz rojiza. Si se calienta ms, la luz se vuelve blanca. Al aire libre resulta muy difcil calentar un cuerpo a temperatura muy alta sin que resulte destruido. Lo que ocurre es que llega un punto en que el oxgeno de la atmsfera "ataca" el material y reacciona con l para producir nuevas sustancias. Decimos que el cuerpo "se quema". La combustin de un cuerpo no es ms que la reaccin del oxgeno del aire con la materia del cuerpo (figura 3). Si deseamos usar un trozo de metal calentado por una corriente, para producir luz, debemos evitar la accin del oxgeno ambiente. Thomas Alva Edison pens en eso al encerrar en un bulbo de vidrio la primera lmpara incandescente.

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LOS EFECTOS

DE LA

CORRIENTE ELECTRICA

4Edison quit todo el aire del bulbo para que no pudiera atacar el filamento de carbono que utiliz (figura 4). Las lmparas modernas poseen un filamento de un metal que soporta temperaturas muy elevadas, que es el tungsteno y tambin tiene la atmsfera del interior del bulbo sustituida por gases inertes, o sea gases que no atacan el metal. Ahora no se hace ms el vaco, como haca Edison al quitar todo el aire, porque de esa manera se tiene una presin exterior muy grande contra una presin muy baja (casi nula) interior. Cualquier golpe o esfuerzo mecnico poda producir la "explosin" de la lmpara (figura 5). La lmpara incandescente, como se la llama, "se quema" por diversos motivos: uno de ellos es la entrada gradual de aire, que lleva el oxgeno que ataca lentamente el filametno hasta que se rompe. Otra causa es la evaporacin gradual del metal del filamento que se va "afinando" hasta que se parte. Por lo tanto, una lmpara comn tiene una "vida til" limitada.

5Se debe tener presente que: En la lmpara incandescente, el pasaje de corriente por el filamento lo calienta y produce luz. En el interior de la lmpara no puede haber oxgeno. Pero no slo haciendo pasar una corriente por un metal podemos producir luz. Cuando estudiamos las manifestaciones naturales de la electricidad, vimos que una de ellas era una enerome fuente de luz. Nos referimos al rayo. Una descarga elctrica muy intensa puede hacer que el aire se vuelva "luminoso" y hacer que emita luz. Podemos obtener el mismo fenmeno en otros gases para lo que basta que estn en ciertas condiciones de presin. Si colocamos en un tubo gases como el argn, el xenn, etc. (gases nobles), podemos tener los mismos efectos. La aplicacin de una tensin elevada en el tubo hace que se arranquen los electrones de las capas ms externas de los tomos y cuando vuelven a su estado normal, se emite luz. Decimos que los gases se ionizan y, conduciendo la corriente en ese proceso, emiten luz (figura 6). Es lo que ocurre con las lmparas de nen y las lmparas fluorescentes (figura 7). En las lmparas de nen se produce luz anaranjada, caracterstica del gas, mientras que en las lmparas fluorescentes, en realidad la luz emitida es "invisible", es decir: la mayor parte del espectro que no vemos, que es la ultravioleta. Una fina capa de tinte especial se pasa por la cara interior del tubo para que la luz ultravioleta incidente se convierta en luz visible.

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LOS EFECTOS

DE LA

CORRIENTE ELECTRICAPara convertir una temperatura en grados centgrados a grados Kelvin basta sumar "273". Por ejemplo, 100C corresponden a 373K. Para convertir grados Kelvin (o absolutos) en centgrados (o Celsius) basta restar 273. Por ejemplo, 300K corresponden a 27C. Existen otras escalas importantes usadas para medir temperaturas y una de ellas es la de los grados Farenheit (F). En esta escala, el punto de ebullicin del agua corresponde a 212 y el de fusin del hielo a 32 (figura 10). Para convertir una temperatura, de C en F se puede establecer una frmula (1), tal como se muestra en la misma figura. La temperatura es el grado de agitacin de las partculas de un cuerpo. Puede preguntarse lo siguiente: Por qu las lmparas incandescentes suelen quemarse generalmente cuando las encendemos? Este es un hecho interesante, que tal vez hayan notado muchos lectores. Usted ya se dio cuenta de que en la mayor parte de los casos las lmparas se queman en el momeno exacto en que usted acciona el interruptor para encenderlas. No es una simple casualidad. En ese momento el filamento est fro y por consiguiente contrado. Si estuviera gastado o con cualquier problema, en el momento en que se establece

7La ionizacin de los gases es acompaada por la emisin de luz.

Un poco de fsica y de clculosEl grado de agitacin de las partculas de un cuerpo nos da una magnitud que se llama temperatura. Cuanto ms agitadas estn las partculas de un cuerpo, mayor ser su temperatura. Para medir la temperatura utilizamos los instrumentos denominados termmetros, de los cuales, el ms comn es el de 8 mercurio, mostrado en la figura 8. Este se basa en la dilatacin del metal (mercurio) que es lineal (o aproximadamente) en la franja en que se usa. La escala de temperatura que usamos es la de grados Celsius o centgrada, en la que se fijan dos puntos (fusin del hielo y ebullicin del agua) que corresponden a 0 y 100. 9 Pero para la fsica, sa

no es una escala ideal. Cero grados no corresponde al punto en que cesa la agitacin de las partculas de un cuerpo. La temperatura a que eso ocurre corresponde a -273C. A esa temperatura no existe agitacin de las partculas del cuerpo. Es el fro "absoluto" pues no existe movimiento ms lento de agitacin que la "detencin"! Una escala mejor para la fsica sera aqullas que tuviera el cero grados en ese punto. Esa escala existe y es la de los grados Kelvin (K). El 0K corresponde a -273C y el 0C corresponde a 273K. En la figura 9 mostramos las dos escalas comparadas.

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LOS EFECTOSla corriente el impacto es mayor y, por lo tanto, la probabilidad de que se rompa tambin es mayor.

DE LA

CORRIENTE ELECTRICAlaboratorios se han alcanzado temperaturas prximas al cero absoluto. A esa temperatura tan baja ocurren cosas interesantes en los materiales. El oxgeno se convierte en slido y los metales se hacen conductores perfectos que se llaman "superconductores". En la tabla 1 tenemos el nombre y la composicin de algunas aleaciones usadas en la fabricacin de elementos de calefaccin de aparatos elctricos y su temperatura mxima de operacin. En la tabla 2 damos los puntos de fusin de algunos metales.

Qu es lo que realmente se quema? La combustin es la reaccin entre el oxgeno y otro elemento (o sustancia). El oxgeno "oxida" y este fenmeno puede acompaarse con la produccin de luz y calor, formando entonces una llama. Para que haya combustin es preciso un combustible (sustancia que se quema) y un comburente (oxgeno). En una atmsfera en que 10 no exista oxgeno, no puede un cuerpo, si no hubiera materia no haber combustin. habra temperatura. Se puede decir Existe el cero absoluto de tem- entonces que en el espacio vaco, donde haya vaco absoluto, la temperatura?. peratura ser el cero absoluto porSi la temperatura est dada por la agitacin de las molculas de que no existe materia. Pero en los Tabla 1 Constantan (58,8% Cu; 40% Ni; 1,2% Mn) ......................................................500C Fechral (80% Fe: 14% Cr; 6% Al) ..............................................................900C Plata alemana (65% Cu; 20% Zn; 15% ni) ....................................................150-200C Manganina (85% Cu; 12% Mn; 3% Ni)Niquelina (54% Cu; 20% Zn; 26% Ni)....................................................150-200C Nicromo (67% Ni; 15% Cr; 16% Fe; 1,5% Mn) 1.000C Reostan (84% Cu; 12% mn; 4% Zn) ....................................................150-200C

El efecto qumico de la corrienteEstudiamos que determinadas sustancias, cuando se disuelven en agua, pueden originar cargas capaces de transportar electricidad. Esos conductores, denominados soluciones inicas, como el agua y la sal, al conducir la coTabla 2 Aluminio.....................658,7C Bronce ...........................900C Hierro ............1.100 a 1.200C Cobre ..........................1.083C Oro .............................1.063C Plomo ............................327C Mercurio ......................-38,9C Nquel .........................1.452C Plata ............................960,5C Acero .............1.300 a 1.400C Estao .........................231,9C

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LOS EFECTOSrriente elctrica manifiestan ciertos fenmenos producidos. Debemos entonces distinguir dos tipos de fenmenos: los fsicos y los qumicos. Se dice que ocurre un fenmeno fsico cuando no se altera la naturaleza de la materia que lo manifiesta. Cuando calentamos un pedazo de hierro tene- 11 mos un fenmeno fsico, pues tanto fro como caliente, el material es hierro. En un fenmeno qumico se produce la alteracin de la naturaleza de la materia. Cuando algo se quema, por ejemplo, antes tenemos madera y despus tenemos ceni- 12 zas y gases de naturaleza completamente diferente (figura 11). Qu tipo de alteracin puede ocurrir cuando una corriente elctrica pasa por una solucin conductora? Podemos tomar como ejemplo el caso ms importante que es la electrosis del agua. Si agregamos al agua pura un poco de cido sulfrico (H2SO2)

DE LA

CORRIENTE ELECTRICAque se desprenden. Podemos recoger las burbujas en tubos invertidos como muestra la figura 13. Analizando los gases recogidos, veremos que en un tubo tenemos hidrgeno (H2) y en el otro, oxgeno (O2). De dnde sale el gas? Por la proporcin de los gases que recogemos vemos que tenemos doble volumen de hidrgeno respecto del volumen de oxgeno. Qu sustancia tiene en su composicin el hidrgeno y el oxgeno en la proporcin de 2 a 1 que no sea el agua? Lo que ocurre entonces, cuando pasa la corriente elctrica, es la separacin de los elementos que forman el agua, o sea la descom-

ocurre un fenmeno de naturaleza qumica. En los extremos pelados de los cables aparecen burbujas de gas

el agua se vuelve conductora (figura 12). Conectando dos cables a esa solucin de manera que mediante una batera podamos hacer circular corriente, notaremos que 13

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LOS EFECTOSposicin del agua segn la ecuacin qumica: 2H2O = 2H2 + O2 En la electrlisis del agua ocurre la separacin de sus componentes. El cido sulfrico permanece inalterado y sirve slo para movilizar las car14 gas que forman la corriente. Otro fenmeno en que se manifiesta el efecto qumico de la corriente es la galvanoplastia. En la figura 14 se muestra de qu modo una corriente elctrica puede usarse para depositar una fina pelcula de metal sobre un cuerpo unido al polo nega- 15 tivo de una batera. La solucin que se emplee depende del material (metal) que se quiere depositar, como por ejemplo el nquel (caso del niquelado) o el cromo (para el cromado) o el oro (para el dorado), etc.

DE LA

CORRIENTE ELECTRICAcuerpo. son nuestros sensores elctricos. Podemos tomar un caso imaginario para describir el funcionamiento del sistema nervioso: Supongamos que, sin darse cuenta, usted apoya la mano sobre un cigarrillo encendido (figura 16). El calor generado, que puede quemarle la piel, es detectado por una terminacin nerviosa que se encarga de transmitir al cerebro una seal de peligro. Esta seal pasa por una serie de nervios hasta llegar al cerebro que es la "central de procesamiento" de las informaciones, as llega al departamento "competente" que deber tomar la decisin sobre la accin a seguir en ese caso. Es evidente que la decisin es la de retirar la mano de ah. Los impulsos de retorno ordenan contraer los musculos que mueven el brazo y la mano para retirarla del lugar y entonces se realiza la accin. En la prctica todo eso toma solamente 0,1 segundo. Vemos entonces que corrientes elctricas llevan y traen las informaciones que hacen funcionar nuestro organismo. Por supuesto que las corrientes que "vienen de afuera" pueden interferir fcilmente con el funcionamiento de nuestro organismo y causar sensaciones desagradables, dolores y muerte.

El efecto fisiolgico

16Las clulas nerviosas, cuyo aspecto se muestra en la figura 15, son las que conducen los impulsos nerviosos. Los impulsos entran por terminaciones denominadas dendritas y salen por una terminacin llamada axn. Una verdadera red de clulas de este tipo informa al cerebro sobre todo lo que pasa en nuestro

Podemos decir que nuestro cuerpo es una solucin conductora. En l existe un medio acuoso con muchas sales minerales disueltas. Por otra parte, nuestro sistema nervioso funciona sobre la base de corrientes elctricas que llegan al cerebro y partiendo de l, traen y llevan informaciones.

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LOS EFECTOSEs el caso del shock elctrico. Cuando usted toca un cable, una corriente puede circular a travs del cuerpo, en procura, normalmente, de llegar a tierra que se encuentra a un potencial ms bajo (figura 17). Diversos factores determinan la intensidad de la corriente como, por ejemplo, el hecho de que la piel est hmeda o no. Si la corriente fuera dbil, 17 la sensacin es un hormigueo desagradable, que estimula el sistema nervioso. Si fuera muy fuerte puede producir dolor, quemaduras y lo que es peor: la muerte.

DE LA

CORRIENTE ELECTRICAUn hecho importante que puede suceder es la parlisis de la persona en el momento del shock. La persona no puede moverse y tiene la sensacin de estar "pegada" al cable y al aparato que produce el shock. Por otra parte, puede haber un fuerte estmulo que actuando sobre los msculos hace que stos se contraigan o distiendan y arrojen lejos a la persona. El individuo dir entonces que fue rechazado violentamente por la electricidad, cuando en realidad fue el estmulo que produjo la distensin de sus msculos. La intensidad de la corriente que puede causar la muerte puede obtenerse con facilidad a partir de las tensiones disponibles en la red local de alimentacin y en muchos aparatos electrnicos. Debe tenerse sumo cuidado cuando se manejan esas fuentes de energa.

Una corriente muy intensa puede paralizar el sistema nervioso causando la muerte.

El efecto magntico18Un profesor dinamarqus de la escuela secundaria llamado Hans Christian Oersted observ que colocando una aguja imantada cerca de un cable conductor, cuando se estableca la corriente en el conductor, la aguja se desplazaba hasta tomar una posicin perpendicular al cable, como se muestra en la figura 18. Como deben saber los lectores, las agujas imantadas procuran adoptar una posicin determinada, segn el campo magntico te-

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LOS EFECTOS

DE LA

CORRIENTE ELECTRICABasta que haya corriente, no importa dnde ni cmo para que exista un campo magntico asociado.

rrestre, dando origen a la brjula (figura 19). El movimiento de la aguja imantada slo revela que las corrientes elctricas producen campos magnticos y tambin facilita el establecimiento exacto de la orientacin de este campo, o sea su 20 modo de accin. Como en el caso de los campos elctricos podemos representar los campos magnticos por lneas de fuerza. En un imn, como se muestra en la figura 20, esas lneas salen del polo norte (N) y llegan al polo sur (S). Para la corriente elctrica que fluye en el conductor, verificamos que las lneas de fuerza lo rodean como muestra la figura 21. 21 Representando con una fleEn la figura 23 mostramos alcha la corriente que fluye del pogunos aparatos que funcionan sitivo hacia el negativo, tenemos una regla que permite determinar aprovechando el efecto magntico de la corriente elctrica. cmo se manifiesta el campo. Con la flecha que entra en la Debe tener en cuenta que: hoja (corriente entrante), las lneas Una corriente elctrica siempre son concntricas, con orientacin genera un campo magntico. en el sentido horario (sentido de Esto es importante pues nos las agujas del reloj). indica que este fenmeno es el Para la corriente que sale, las nico que se manifiesta siempre. lneas se orientan en el sentido antihorario (figura 22). El hecho importante es que, disponiendo de manera determinada conductores recorridos por corrientes de formas determinadas, podemos obtener camps magnticos muy fuertes, tiles en la construccin de diversos dispositivos.

Clculos importantesEs muy importante saber cmo suceden las cosas en trminos elctricos pero mucho ms importante para el proyectista es saber calcular a qu intensidad de corriente ocurre el fenmeno. Para el efecto qumico de la corriente existen dos leyes que nos permiten determinar la cantidad de sustancia liberada o depositada por una corriente elctrica. Son las Leyes de Faraday para electrlisis y la galvanoplasta.

Primera Ley de Faraday Esta ley establece que la masa de sustancia liberada en un electrodo durante una electrlisis, es proporcional a la cantidad de cargas elctricas (Q) que pasan por el electrolito (que es la sustancia conductora o sea la solucin formada por el agua y una sustancia que se disocia en iones). La frmula es: m=K.Q (3)

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Donde: m es la masa de sustancia

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LOS EFECTOS

DE LA

CORRIENTE ELECTRICAZ es la valencia. Vamos a dar un ejemplo de la aplicacin de esta frmula. Ejemplo Cul es la cantidad de oxgeno liberada en una electrlisis en que una corriente de 2A circula durante 1 minuto? En este caso comenzamos a calcular la cantidad total de carga. Para eso multiplicamos la corriente por el tiempo: Q=l.t Q = 2 . 60 Q = 120 Coulomb Despus, recordando que para el oxgeno Z = 2 y A = 16, aplicamos la

23liberada, Q es la cantidad de cargas en Coulombs que pasa por la solucin, K es el equivalente electroqumico de la sustancia que se calcula mediante la segunda Ley de Faraday. relacin C = 1/F en la que F es la cantidad de carga que al pasar por la solucin libera un equivalente de la sustancia deseada. Esa cantidad F equivale a 96.500 Coulombs y se llama "Faraday". As ya podemos escribir la frmula final para calcular la cantidad m de sustancia liberada: Q.A m = ___________ 96.500 . Z Donde: Q es la cantidad de cargas que pasa por la solucin, A es el peso atmico de la sustancia liberada, Tabla 3 Ion H+ O-AI+++ OHFe+++ Ca++ Na+ Fe++ K 0,0104 0,829 0,936 0,1762 0,1930 0,2077 0,2388 0,2895 frmula:

Q.A m = ___________ 96.500 . Z 120 . 16 ___________ m= 96.500 . 2

La Segunda Ley de Faraday La segunda ley establece que el equivalente electroqumico de una sustancia (k) es proporcional al equivalente qumico que es la relacin entre el peso atmico y la valencia o A/Z. La constante c que aparece en la frmula tiene siempre el mismo valor. Esa constante est dada por la

Ion CO3-Cu++ Zn++ CISO4-NO3Cu+ Ag+

K 0,3108 0,3297 0,3387 0,3672 0,4975 0,642 0,6590 1,118

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LOS EFECTOSm = 1.920/293.000 m = 0,00655 g Como el lector puede percibir, la cantidad liberada, en peso, no es de las mayores. Una pregunta muy comn "Lo que mata en un 24 shock elctrico, es la corriente o la tensin?" Segn ya vimos, la tensin es la causa y la corriente un factor. No hay corriente, por lo tanto, no hay shock, sin que haya tensin. La corriente es realmente la que mata pues es la que produce

DE LA

CORRIENTE ELECTRICA

el efecto que estudiamos, pero slo existe si hay tensin.

Informacin tilEn la tabla 3 damos los equivalentes qumicos de algunos iones y

el factor K de la 1 Ley de Faraday. (Los signos + y - indican la carga y la valencia, es decir el nmero de cargas elementales transportadas por cada ion.) Por ltimo, en la figura 24 tenemos los efectos de la corriente elctrica en el cuerpo humano. ***

LECCION 4TEORIA: LECCION N 4

Resistencia ElctricaEstudiaremos que una corriente puede circular por un medio conductor solamente si hay una causa; en nuestro caso, una fuerza de naturaleza elctrica que "empuja" las cargas y que es la tensin. Pero la intensidad de corriente que circula por un cable est limitada por diversos factores. Podemos comparar la intensidad de la corriente que fluye de una pila (o de otra fuente de energa) al agua que sale de un tanque. Veremos una analoga prctica para ilustrar mejor el tema. Tambin veremos los resistores comerciales y los efectos de la denominada Ley de Joule.

La resistencia elctrica grueso el agua encuentra menor"resistencia" y puede fluir con La cantidad de agua que sale de un cao, como se muestra en la figura 1, depende de la altura del tanque (comparable a la "presin" o tensin) y del espesor del cao. La analoga elctrica de este fenmeno se estudiar enseguida. Pensando en la analoga con un depsito de agua, vemos que el flujo por el cao depende en gran parte del espesor del mismo. En un cao ms

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ms facilidad. El resultado es un flujo mucho ms intenso y por consiguiente una cantidad mayor de agua. con la electricidad ocurre lo mismo. Si tenemos una fuente cualquiera de energa elctrica capaz de proporcionar cargas en cantidades limitadas, que a la vez hace de tanque, la unin con un cable conductor entre los polos de la fuente hace que la corriente pueda fluir y eso nos lleva a un comportamiento semejante al del

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RESISTENCIA ELECTRICAtanque de agua (figura 2). La intensidad de la corriente que va a fluir, es decir, el nmero de "amperes" no depende slo de la tensin de la fuente sino tambin de las caractersticas del conductor. Estudiamos que los materiales se comportan de modo diferente en relacin a la transmisin de cargas. No existen conductores perfectos. Y adems, el cable conductor puede ser fino o grueso, largo o corto. Si el cable fuera fino y largo, de material mal conductor de la electricidad, el flujo ser muy pequeo. La corriente encontrar una gran "resistencia" u "opo- 2 sicin" a su circulacin. Si el cable fuera de un buen material conductor, corto y grueso, la oposicin al pasaje de corriente ser mnima y la corriente intensa (figura 3). El efecto general de un cable o de un cuerpo cualquiera que es recorrido por una corriente se denomina Resistencia Elctrica. Podemos definir la resistencia elctrica como: 4 "Una oposicin al pasaje de la corriente." La resistencia elctrica de un conductor depende de diversos factores, como la naturaleza del material de que est hecho el conductor y del formato (longitud, espesor, etc.).

Unidad de resistenciaSi conectamos un conductor a un generador (pila) u otra fuente de energa que establezca una tensin de 1V y verificamos que es un recorrido por una corriente de 1A (1 ampere) de intensidad, podemos decidir entonces que el conductor presenta una resistencia de 1 ohm (). El ohm, abreviado , es la unidad de resistencia. La letra griega omega mayscula se utiliza para la abreviatura (figura 4). Podemos, como en el caso de la corriente y la tensin, usar mltiplos y submltiplos del ohm para representar resistencias grandes y chicas. Es ms comn el uso de mltiplos. Es as que si tuviramos una resistencia de 2.200 ohms, podemos, en lugar de ese nmero, escribir 2k2 2,2k, donde k significa "kilo" o 1.000 ohms. Vea que podemos usarlo al final del nmero o en lugar de la coma decimal. Del mismo modo, si tuviramos una resistencia de

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RESISTENCIA ELECTRICA1.500.000 ohm podemos escribir 1M5 1,5M donde M significa "Mega" o millones de ohm. Vea en este caso que tambin la letra M puede usarse al final del nmero o en lugar de la coma decimal. Lo que hacemos entonces es aplicar al conductor diferentes tensiones y anotar las corrientes correspondientes. Si tenemos una tensin de 0V la corriente ser nula. Si tenemos una tensin de 1V, la corrienla fuente de energa elctrica que te ser de 0,2A. establezca tensiones diferentes, un Si tenemos una tensin de 2V, cable conductor que presente cier- la corriente ser de 0,4A. ta resistencia y midamos las coPodemos ir anotando sucesivarrientes correspondientes, compro- mente las tensiones y las corrienbaremos que se dan determinadas tes correspondientes para este situaciones que permitirn verificonductor determinado y formar car esta importante ley (figura 5). una tabla (tabla 1).

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La Ley de OhmUna de las leyes ms importantes de la electricidad es la Ley de Ohm. Para enunciarla, conectemos a

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3

RESISTENCIA ELECTRICATensin (V)..Corriente (A) 0 ............................................0 1 .........................................0,2 2 .........................................0,4 3 .........................................0,6 4 .........................................0,8 5 .........................................1,0 6 .........................................1,2 7 .........................................1,4 8 .........................................1,6 9 .........................................1,8 10 .......................................2,0 Analizando la tabla sacamos dos concluisones importantes: 1) Dividiendo la tensin por cualquier valor de la corriente obtenemos siempre el mismo nmero: 1/0,2 = 5 5/1,0 = 5 8/1,6 = 5 El "5", valor constante, es justamente la resistencia. La resistencia depende, por lo tanto, de la tensin y de la corriente y puede calcularse dividiendo la tensin (V) por la corriente (I). (En las frmulas representamos las tensiones por E o V y las corrientes por I). Podemos establecer la importante frmula que expresa la Ley de Ohm: V R = ____ I Si se tienen dos conductores con otras resistencias, podemos hacer los grficos y obtener "curvas" con inclinaciones diferentes (figura 7). La inclinacin de la "curva" se mide por la tangente (tg) del nV = R x I (2) gulo. I = V/R (3) Esa tangente es justamente el valor dado de la tensin por la La primera nos permite calcular corriente correspondiente, como la "cada de tensin en un camuestra la figura 8. ble" o cuntos volt cae la tensin La tangente del ngulo A (tgA) a lo largo de un conductor en corresponde entonces a la resisfuncin de su resistencia. tencia del conductor. La segunda nos da la corriente, cuando conocemos la tensin y la Es importante que recuerde que: resistencia de un conductor. - El cociente de la tensin y la corriente en un conductor es su 2) Graficando los valores de resistencia. las tensiones y corrientes de un - En un conductor la corriente conductor obtenemos la represenes directamente proporcional a la tacin siguiente (figura 6). tensin. Unidos los puntos obtenemos - La "curva caracterstica" de una recta inclinada. Esta recta es la "curva caractersticas de una re- un conductor que presente una cierta resistencia, es una recta. sistencia". otro elemento cualquiera) basta dividir la tensin entre sus extremos por la corriente que circula en el elemento. De la frmula obtenemos otras dos:

(1)

Para calcular la resistencia de un conductor (o de

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RESISTENCIA ELECTRICAVea que todos los conductores presentan curvas como las indicadas. Los componentes o elemento que presentan este tipo de comportamiento se denominan "dipolos lineales" y podemos citar a los resistores y a los conductores como ejemplos. Existen tambin dipolos no lineares cuyas "curvas" pueden presentar configuraciones diferentes como se ve en la figura 9. el material de que est hecho el conductor elctrico y que no depende de las dimensiones del cuerpo final que formar, sea un cable, una barra, una esfera, etc. La resistividad se representa con la letra griega (ro) y al final de esta leccin se dar una tabla comparativa de resistividades de los metales comunes. Vemos entonces que, respecto de las resistividades, al del aluminio es de: 0,028 ohm. mm2/m y la del cobre es bastante menor: 0,017 ohm.mm2/m aluminio, en el sentido de que si preparramos un cable de cobre y otro de aluminio, de la misma longitud y espesor, el cable de cobre presentar menor resistencia (figura 10). Existe entonces una magnitud, la "resistividad" que caracteriza

ResistividadComo vimos la resistencia de un conductor depen8 de de tres factores: longitud, espesor y tipo de material. Dejando de lado la longitud y el espesor, podemos analizar los diversos materiales en funcin de una magnitud que caracteriza a los conductores de la electricidad. Es as que decimos que el cobre es mejor conductor que el

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RESISTENCIA ELECTRICAQu significan esos valores? Sifnifica que si hacemos un alambre de cobre de 1 m de longitud y 1 mm2 de seccin, tendr una resistencia de 0,0175 ohm. La seccin recta es el rea del corte transversal del alambre como muestra la figura 11 11. Vea que tenemos alambres con corte circular y tambin con corte cuadrado. Si sus superficies fueran iguales, en el clculo son equivalentes. La frmula que permite calcular la resistencia de un cable de metal cualquieira, conociendo su resistividad, es: l _____ R=. S manera en que aumenta la resistividad, est cerca del coeficiente de expansin trmica de los gases que es 1/273 = 0,00367. Qu significa decir que la corriente es diretamente proporcional a la tensin, en el caso de la Ley de La resistividad es una magnitud inherente al material, que lo caracteriza como buen o mal conductor de la electricidad. Qu es lo que realmente causa la resistencia de un material, un metal, por ejemplo? La oposicin al pasaje de la corriente elctrica por el material, o sea que la resistencia depende de la cantidad de electrones libres que el material posee, adems de la existencia de fuerzas que pueden alterar su movimiento. En un metal, por ejemplo, la cantidad de electrones libres depende, en parte, de su temperatura, pero la misma temperatura hace que la agitacin de las partculas aumente, esto dificulta el movimiento de las cargas. Entonces, tenemos para los metales una caracterstica importante: como la agitacin de las partculas (tomos) predomina en relacin a la liberacin de las cargas, la resistividad aumenta con la temperatura. Para los metales puros, el coeficiente de temperatura, o sea la Ohm? Tiene mucha importancia entender ese significado pues aparece en muchas leyes fsicas relativas a la electricidad. Decir que una corriente es directamente proporcional a la tensin significa que a cualquier aumento o disminucin de la tensin (causa) corresponde en relacin directa un aumento o disminucin de corriente. En el caso de aumentar la tensin el 20%, la corriente aumentar en la misma proporcin. En la relacin de proporcin directa, las magnitudes que intervienen aparecen siempre con el exponente "1". En este caso, la tensin y la corriente en la Ley de Ohm no estn elevadas al cuadrado ni a otro exponente como sucede en otros tipos de relacin. En la relacin X = Y2, por ejemplo, existe una relacin de proporcin directa al cuadrado. Puede decirse en este caso que "X es directamente proporcional al cuadrado de Y". Vea que todos los valores estn en el numerador. En la relacin X = 1/Y2 puede

(4)

Donde: es la resistividad en ohms. mm2/m l es la longitud del cable en metros S es la superficie de la seccin transversal en mm2 Si el cable fuera de seccin circular, la superficie puede calcularse en funcin del dimetro mediante la frmula siguiente: D2 S = _____ 4 Donde: D es el dimetro del cable en mm.

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RESISTENCIA ELECTRICAextremos del conductor; las cargas negativas sern atradas por las cargas positivas del otro extremo. Por cada electrn que d la fuente al conductor por el lado negativo, existir otro en el lado positivo; entonces la corriente fluir de manera constante mientras se mantengan aplicadas al conductor las cargas elctricas de la fuente de energa, llamndose as, circuito cerrado o completo (figura 14). Un claro ejemplo de fuentes de energa elctrica son las bateras y las pilas. Para que haya flujo constante de corriente, el circuito deber estar cerrado o completo. Ahora, si un circuito se interrumpe en cualquier punto, la corriente dejar de fluir y se dice que es un circuito abierto; ste puede abrirse deliberadamente por medio de un interruptor, u ocurrir como consecuencia de fallas o desperfectos en un cable o una resistencia quemada, por ejemplo. Por lo general se usan fusibles como proteccin del circuito contra excesos de corrientes que puedan perjudicar la fuente de tensin. Sepamos que el fusible tiene la funcin de abrir el circuito cuando la corriente excede el valor lmite, ya que en un circuito serie abierto no hay flujo de corriente, y no hay cada de tensin sobre las resistencias que forman la carga (Figura 15). En el circuito de corriente continua, la resistencia es lo nico que se opone al paso de la corriente y determina su valor. Si el valor de la re-

12decirse que X es inversamente que las cargas de los extremos se proporcional al cuadrado de Y, hayan neutralizado, tal como se pues Y est al cuadrado y en el muestra en la figura 13. denominador. Para que en un conductor haya En la figura 12 se muestran corriente elctrica, los electrones curvas que representan relaciones libres debern moverse constantedirectamente proporcionales al mente en una misma direccin, lo cuadrado e inversamente proporque se consigue por medio de cionales al cuadrado. una fuente de energa para aplicar Ahora bien, siempre que haya las cargas de signo contrario a los una tensin y un cable va a circular corriente? La respuesta es NO. Para que circule corriente y se AL APLICAR CARverifique la Ley de Ohm, GAS ELECTRICAS A debe existir un circuito ceUN CONDUCTOR, SE PRODUCE UNA rrado; por ello, veamos que CORRIENTE ELECTRICA QUE DESAnos dice la Ley de Ohm PARECE CUANDO desde otro enfoque. SE NEUTRALIZANDICHAS CARGAS

Circuito elctrico

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La aplicacin de cargas elctricas con signo contrario a los extremos de un conductor no es suficiente para lograr una corriente elctrica constante, pues solo se lograra la circulacin, por un momento, de flujo de corriente elctrica, hasta 14

BATERIA (TENSION) LAMPARA (CARGA)

I - CORRIENTE

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RESISTENCIA ELECTRICAsistencia fuera muy pequeo, la corriente a travs del circuito sera demasiado grande. Por lo tanto, el cortocircuito es la condicin de resistencia muy baja entre los terminales de una fuente de tensin. Se dice que un circuito est en corto cuando la resistencia es tan baja que el exceso de corriente 15 puede perjudicar los componentes del circuito; los fusibles y los tipos de interruptores automticos protegen los circuitos contra el peligro de los cortocircuitos.FUSIBLE QUEMADO

se conoce como "LEY DE OHM", que se resume as: "en todo circuito elctrico, la corriente es directamente proporcional a la tensin aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del circuito". Matemticamente se expresa

NO HAY CORRIENTE

Ohm, de lo anterior, dedujo que: "la corriente, en cualquier circuito, es directamente proporcional a la tensin aplicada". Y adems: c) Si la tensin de la fuente se mantiene constante y se cambia la resistencia del circuito por otra mayor, la corriente disminuye. d) Si en el mismo circuito la resistencia disminuye, el valor de la corriente aumenta. OHM dedujo: "la corriente es inversamente proporcional a la resistencia del circuito". La relacin entre corriente, tensin y resistencia constituye la ley fundamental de la electricidad yR

as: V ____ I= R que nos muestra que la corriente en un circuito es igual al valor de la tensin dividido por el valor de la resistencia. Hay tambin otras dos frmulas tiles de la ley de Ohm y son: V ___ R= I que nos muestra que la corriente es igual a la tensin dividida por la corriente y V=I.R que nos muestra que la tensin es igual a la corriente multiplicada

Otra vez la Ley de OhmSabiendo que la corriente que fluye por un circuito cerrado depende de la tensin aplicada y de la resistencia de la carga, podemos hacer las siguientes observaciones: Recordemos que una fuente de tensin origina una corriente elctrica en un circuito cerrado, y que la resistencia del circuito se opone a ella; por lo tanto, hay una estrecha relacin entre la tensin, la corriente y la resistencia, lo que fue descubierto por el fsico alemn OHM, quien despus de varios experimentos hizo estas comprobaciones: a) Si la resistencia del circuito se mantiene constante y se aumenta la tensin, la corriente aumenta. b) Si en el mismo circuito se disminuye la tensin, la corriente disminuye proporcionalmente.

VV I

I

R

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17

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RESISTENCIA ELECTRICApor la resistencia (figura 16). Recordemos siempre las 3 frmulas de la Ley de Ohm, ya que son muy importantes, y las usaremos frecuentemente. Al comienzo es imprescindible tener el grfico de la figura 17 a la vista, pues ah tenemos las formas de la ley de Ohm. Si necesitamos calcular I, la 18 tapamos y nos queda V/R, si queremos calcular R,