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CIRCUITOS DE CORRIENTE CONTINUA

UNIDAD Nº I

Fundamentos y parámetros en electricidad.

Introducción

En la actualidad, la energía eléctrica está presente en nuestras vidas desde nuestros hogares hasta en nuestros lugares de trabajo, ya sea para hacer funcionar alguna maquinaria, iluminar algún recinto o simplemente en el interior de algún equipo electrónico. Es decir, tenemos una interacción con la electricidad constantemente, lo notemos o no y en su mayoría, se desconocen muchos conceptos asociados a ella, y en otros casos se tienen grandes confusiones. Dado esta realidad, es imperiosamente necesario que un técnico o profesional que trabaja ligado a la electricidad maneje los conceptos principales de ésta, sus teoremas y leyes involucrados. Por tanto, en esta asignatura se presentarán los conceptos básicos de corriente continua, como voltaje, corriente, resistencia, potencia eléctrica, así como la ley de Ohms y los teoremas eléctricos más importantes, además de desarrollar las competencias necesarias para realizar mediciones eléctricas con multímetro y simulación de circuitos eléctricos mediante software especializado, ya que este curso es la base para la obtención de las competencias necesarias para trabajos relacionados a la electricidad.

SEMANA 1

Muchas veces es necesario, ya sea para determinar teóricamente algún valor desconocido en un circuito eléctrico o para el reemplazo de un resistor comercial, ya sea por falta del componente u otra problemática, poder determinar el valor equivalente de un resistor, ya sea de una conexión completa o de un valor específico.

Desarrollo

Carga eléctrica

En la actualidad, para nadie es un misterio que la materia se compone de átomos, los cuales se consideran como la unidad fundamental de todo lo que conocemos. Ahora esto implica que existen distintos de átomos para cada uno de los materiales existentes, ya que de lo contrario todo sería igual, pues sería formado por un solo material. Esto claramente es explicado a través de la tabla periódica de los elementos, lo cual estudia el área de la química, que plantea distintos elementos químicos que son parte de la formación de toda la materia y según sus distintas configuraciones, se logran distintos tipos de materiales, incluyendo los seres vivos, los cuales se dice que tenemos moléculas formadas en base de carbono. Por lo cual se puede deducir que las moléculas, son la unión o configuración de los átomos de distintos elementos. Eso implica que, desde el punto de vista químico, para poder comprender la materia, es necesario conocer los átomos, lo cual, desde hace mucho tiempo, ha dado origen a que distintos científicos hayan planteado modelos de cómo podrían ser los átomos. Por lo tanto, a través de la historia, se conocen distintas aproximaciones al átomo, como las siguiente: Nota: El siguiente texto se basa en https://concepto.de/modelos- atomicos/#ixzz6Fb4IeMRv Modelo atómico de Demócrito (450 a.C.): Fue propuesto por Demócrito, quien fue un filósofo griego que propuso que el mundo que conocemos estaba formado por elementos indivisibles, de allí el nombre de átomo, que proviene del griego α (a: sin) y τομον (tomon: corte), es decir "sin cortar", que no se puede dividir. .

Modelo atómico de Rutherford (1911 d.C.): Ernest Rutherford en 1911 realizó una serie de experimentos a partir de láminas de oro que se bombardeaban con núcleos de helio, gracias a los cuales determinó la existencia de un núcleo atómico de carga positiva en el cual se hallaba el mayor porcentaje de su masa, ya que los resultados del experimento no concordaban con lo que se esperaba del modelo de Thomson. Con esto propuso que los electrones, giraban libres en torno a dicho núcleo o centro. Según sus consideraciones, el átomo operaba como un sistema solar de electrones orbitando un núcleo atómico más pesado, como hacen los planetas alrededor del Sol. Fuente imagen: https://www.tplaboratorioquimico.com/quimica-general/teoria- atomica/los-modelos-atomicos.html Modelo atómico de Bohr (1913 d.C.): Este modelo da inicio en el mundo de la física a los postulados cuánticos, por lo que se considera una transición entre la mecánica clásica y la cuántica. El modelo de Niels Bohr se resume en tres postulados:

1. Los electrones trazan órbitas circulares en torno al núcleo sin irradiar energía.

2. Las órbitas permitidas a los electrones son calculables según su momento angular.
3. Los electrones emiten o absorben energía al saltar de una órbita a otra y al hacerlo emite un fotón que representa la diferencia de energía entre ambas órbitas. Fuente imagen: https://es.slideshare.net/gustavotoledo/modelo-atmico-de-bohr- animadook Modelo atómico de Sommerfeld (1916 d.C.): Este modelo fue propuesto para intentar llenar los vacíos que presentaba el modelo de Bohr, dado los postulados relativistas propuestos por Albert Einstein, que, dado el modelo anterior, no se podían explicar por si sola. Entre sus modificaciones están que las órbitas de los electrones fueran circulares o elípticas, que los electrones tuvieran corrientes eléctricas minúsculas y que a partir del segundo nivel de energía existieran dos o más subniveles. Fuente imagen: https://www.traohh.com/2017/01/modelo-de-sommerfeld.html Modelo atómico de Schrödinger (1926 d.C.): El modelo atómico de Schrödinger definía al principio los electrones como ondas de materia (dualidad onda-partícula), describiendo

Fuente imagen: Página 6 del pdf, https://fisquiweb.es/Apuntes/Apuntes2Qui/ModeloCuantico.pdf

Según las teorías atómicas vistas y basados en los modelos de Bohr y Sommerfeld, para poder comprender de forma más gráfica el concepto de carga eléctrica, podemos decir que los electrones o cargas negativas giran alrededor del núcleo de un átomo, el cual posee cargas positivas y neutras (protones y neutrones, respectivamente). Las órbitas que describen éstos pueden estar más o menos cercas de núcleo dependiendo del tipo de material que éstos formen. Ahora, para efectos eléctricos, podemos decir que existen dos grandes tipos de materiales:

• Conductores
• No conductores (llamados también aislantes o dieléctricos) En un material no conductor las órbitas están muy juntas entre ellas y cercanas al núcleo, pero en un material conductor, existe un electrón que describe una órbita más pronunciada y lejos del núcleo. Como se puede apreciar, el electrón destacado en verde describe una órbita más alejada que los demás electrones del átomo, por lo tanto, ante una fuerza externa (producida por una fuente, como una pila) este electrón podría arrancarse de su órbita y salirse del átomo, es por ello que este tipo de electrones se conocen con el nombre de “electrón libre”, ya que pueden saltar libremente hacia otro átomo del material. Ahora al saltar del átomo, este electrón empujaría el electrón libre del átomo adyacente (cercano), por lo cual el electrón del átomo adyacente haría saltar al electrón de otro átomo y así sucesivamente, tal como muestra la siguiente figura.

encuentran acumuladas y quietas, hasta que se acciona una llave de agua que permite regular la cantidad de agua o gotitas de agua, que puede pasar por ella. Para comprender el ejemplo, pensemos que por la llave pasara una cantidad de gotitas de agua equivalente a un volumen de 10 litros de agua, que podría ser todo el contenido del recipiente (por ejemplo). También supongamos que el recipiente está sometido a una alta presión, por lo cual, si lo agrietáramos, el agua podría salir a chorros. Ahora pensemos que la llave se apertura de tal manera que por ella sólo alcanza a pasar una gota a la vez. Esto quiere decir que para que salga una cantidad de agua equivalente a diez litros, debiese pasar mucho tiempo, pues la cantidad de agua que deja pasar la llave es muy limitada. También podríamos percibir que, al colocar la mano bajo esta llave, la gota caería sobre ella, humedeciéndola, pero sin hacer daño alguno. Por otra parte, si la misma cantidad de agua saliera por la llave en un tiempo de medio segundo, notaríamos que tendríamos un “chorro de agua” tan potente, que, si colocamos la mano, estos 10 litros de agua por 0,5 segundos, podrían perforarnos la mano casi de forma instantánea. Lo anterior se explica con la ecuación de intensidad de corriente, pues en ambos ejemplos por la llave pasa el mismo volumen de líquido, pero la diferencia es en el tiempo en que pasa, por ende, entre menos tiempo pasa una cierta cantidad de carga eléctrica, mayor será la intensidad de corriente, medida en Ampere. Para comprender la magnitud de una intensidad de corriente, podemos decir que, si llegase a pasar corriente eléctrica directamente por nuestro cuerpo y, por ende, por

nuestro corazón, con una cantidad de 0,07 Ampere o descrito de otra forma, 7 milésimas partes de un Ampere (7 miliAmpere o 7 mA) el cuerpo entra en fibrilación y con una corriente de 10 mA, es decir 10 milésimas partes de un Ampere (descrito de otra forma, sería una corriente de 0,1 A) una persona podría morir. Por lo tanto, tener una corriente de 1 A, significa tener una intensidad de corriente bastante grande que podría tener consecuencias mortales, si no se manipula adecuadamente y tomando las precauciones indicadas en los protocolos de prevención de riesgos asociados. Voltaje o diferencia de tensión Cuando se mantiene una diferencia de potencial constante entre dos puntos, la corriente eléctrica deja de circular, esto porque los electrones sobrantes del terminal negativo llegan al terminal positivo y se igualan los potenciales de ambos puntos. Esto se puede ejemplificar al colocar un gradiente a una esfera, que por la diferencia de altura o de energía potencial gravitatoria, la esfera se desplaza hacia abajo. Pero si eliminamos la gradiente, la esfera deja de caer, pues hemos nivelado la diferencia de potencial, por lo tanto, deja de haber movimiento. Por lo tanto, volviendo al ejemplo eléctrico, se hace necesario un dispositivo capaz de proporcionar una fuerza, denominada fuerza electromotriz (f.e.m. o E), que mantenga la diferencia de potencial realizando el trabajo de transportar las cargas negativas del terminal positivo al negativo a través del interior del dispositivo. De esto se desprende

raídamente que aquí no existe f.e.m., ya que esta fuerza es propia de elementos electroquímicos, por ende, para este caso, en los terminales de la fuente, se produce una diferencia de potencial o d.d.p, que también se mide en volts y se asigna con la letra V. Por lo tanto, como la f.e.m. y la d.d.p. se miden en volts, de forma coloquial se le llama voltaje a lo que produce una pila, así como lo que aparece en los terminales de una fuente de alimentación eléctrica. Ahora, si pensamos en el ejemplo de más arriba, del estanque presurizado con la llave de agua y a esta le conectamos una manguera que hace que el agua no se pierda, sino que retorne al estanque, podríamos hacer el símil eléctrico a una batería o pila unida por un cable conductor de electricidad. Al realizar esta conexión, por el terminal negativo de la batería, comenzarían a salir los electrones acumulados en la batería y comenzarían a avanzar por el cable, hasta llegar al otro lado de la pila, reingresando por su terminal positivo. Es importante indicar que este es sólo un ejemplo y que jamás se debe realizar la conexión de los polos de una batería a través de un cable, sin ningún artefacto que consuma la energía de la batería, ya que como el cable es un muy buen conductor, no ofrece ninguna oposición al paso de los electrones, los cuales tendrían a pasar en gran cantidad y además los efectos eléctricos son casi instantáneos, es decir el tiempo es muy pequeño, por lo cual la intensidad de corriente serpia muy grande, liberando una gran cantidad de energía en forma de calor, lo que implica que el cable se calentaría al rojo vivo y para el caso de baterías de gran capacidad de almacenamiento de cargas eléctricas, prácticamente liberarían toda la energía almacenada en un par de milésimas de segundo, lo que podría causar hasta una explosión de la batería.

Volviendo a nuestro seguro ejemplo teórico, la figura muestra que los electrones se moverían a través del cable, es decir, circulan de átomo a átomo, produciendo un flujo de electrones. Pero si nos damos cuenta, los electrones al ser carga negativa, circulan desde el polo negativo de la pila hasta regresar a ella por el polo negativo. Esta circulación desde el polo negativo al positivo, se le denomina DIRECCIÓN REAL DE LA CORRIENTE. Es decir, la corriente circula desde el polo negativo al polo positivo de un circuito eléctrico. A continuación, veremos un esquema eléctrico en norma IEC (Comisión Internacional de electrotecnia) donde se ve una fuente de alimentación (como el cargador de un celular) de 24 V, conectada a una ampolleta de corriente continua y accionado a través de un interruptor de palanca. La imagen anterior muestra que como el interruptor está cerrado, la corriente circula a través de la ampolleta y ésta se enciende. Además, se muestra con una flecha el sentido de circulación de la corriente, que sale del terminal negativo y se dirige al terminal positivo, para regresar a la fuente. Por otra parte, es bien conocido por todos, que existe un fenómeno atmosférico muy llamativo y que causa miedo en algunas personas, el cual es el relámpago. En este

Si nos fijamos, el rayo mostrado por la figura tiene su tronco en la punta de la torre Eiffel y se ramifica hacia el cielo. Esto quiere decir que el rayo sale desde la torre y no de las nubes, por lo tanto, este rayo sube y no cae. En el esquema anterior se evidencian dos nubes y se ejemplifica un rayo entre la nube y la tierra, además de otro entre las nubes. Hoy se sabe que las nubes se cargan eléctricamente de forma distinta, dependiendo de ciertas propiedades atmosféricas, por ende, tenemos rayos que van de nube a tierra, de tierra a nube y de nube a nube, por ende, no siempre el rayo “cae”, pero seguimos diciendo que los rayos caen a la tierra, que sabemos, por intuición, que contiene carga negativa. Por lo tanto, lo que estamos diciendo, es que la corriente circula en el sentido contrario, es decir desde las cargas positivas a las negativas, en otras palabras, volviendo al esquema eléctrico visto anteriormente, que la corriente circula del polo positivo de la batería, al polo negativo. Ahora, como el caso del rayo, todos aceptamos esta convención, es decir hemos acordado o convenido que, sin saberlo y de forma tácita, que la corriente va de positivo a negativo, cuando en este curso hemos descubierto que es, al contrario. Esto se denomina DIRECCIÓN CONVENCIONAL DE LA CORRIENTE y dice que la corriente circula desde el positivo al negativo de una fuente de alimentación o batería.

Potencia eléctrica

Potencia está vinculado a la rapidez con la que se realiza un trabajo. Siempre se realiza trabajo cuando una fuerza provoca movimiento. Si se emplea una fuerza mecánica para levantar o mover una pesa, se hace trabajo. Sin embargo, la fuerza ejercida sin causar movimiento como la fuerza de un resorte en tensión entre dos objetos inmóviles no es trabajo. Hasta ahora se ha aprendido que es la tensión eléctrica o voltaje y que esa tensión o voltaje produce el flujo de corriente, o sea el movimiento de electrones. Una tensión entre dos puntos que no causa flujo de corriente es similar al resorte tenso que no se mueve y, por lo tanto, no produce trabajo. Siempre que la tensión provoca movimiento de electrones, se realiza un trabajo al desplazar a los electrones de un punto a otro. La rapidez con que este trabajo se realiza se denomina como POTENCIA ELÉCTRICA. Para realizar la misma cantidad total de trabajo puede emplearse distinto tiempo. Por ejemplo, se puede mover de un punto a otro un número dado de electrones en un segundo o en una hora, dependiendo de la velocidad con que se los mueva; el trabajo total realizado será el mismo en ambos casos. Si se hace todo el trabajo en un segundo, más energía eléctrica se transformará por segundo, en calor o luz, si esa misma cantidad total de trabajo se hiciese en una hora. La potencia suministrada a dispositivos eléctricos alimentados por corriente continua, se puede expresar en términos de corriente y voltaje. Esto es: P = V x I Ahora, como la potencia está asociada a la disipación de energía, si un elemento disipa más potencia eléctrica, debe ser capaz de soportar el exceso de energía, por ende, esto se traduce por lo general en que aumenta el tamaño. Un cable que se utiliza para un circuito de alta potencia, debe ser mucho más grueso para soportar el exceso de