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ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA
100414 – Física Electrónica
Act 4: Lección Evaluativa 1
COMPONENTES DE UN CIRCUITO ELÉCTRICO
Un circuito eléctrico práctico consta por lo menos de cuatro componentes:
- Una fuente de energía eléctrica ( fuente de voltaje ) - Una carga o elemento de consumo - Elementos de conexión o conductores - Un medio de control o interruptor
La corriente eléctrica convencional, a diferencia del flujo de electrones, sale por el terminal positivo de la fuente de voltaje, circula a través de los conductores hasta la carga y regresa nuevamente a la fuente por el otro extremo. Vale la pena aclarar que la carga es simplemente el elemento que aprovecha la energía eléctrica y la transforma en otro tipo de energía, ya sea lumínica, térmica, etc.
Todo circuito eléctrico debe tener un interruptor o medio de control, que le permita a la corriente que circule por él, sólo cuando sea necesario. Como consecuencia de esto, un circuito eléctrico puede estar cerrado o abierto.
Decimos que tenemos un circuito eléctrico cerrado cuando la corriente eléctrica circula sin inconvenientes desde un terminal de la fuente hasta el otro. Si por el contrario la corriente eléctrica no regresa a la fuente, es porque el interruptor se accionó y el circuito se encuentra ahora abierto.
LEYES DE LOS CIRCUITOS ELÉCTRICOS
Dentro de las principales Leyes de los Circuitos Eléctricos están la Ley de Ohm y la Ley de Kirchhoff. Por medio de su aplicación se pueden hallar diversas magnitudes eléctricas de los circuitos, entre las que sobresalen la corriente eléctrica y el voltaje.
LEY DE OHM
La ley de OHM establece una relación entre tres magnitudes eléctricas fundamentales y se enuncia de la siguiente manera:
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el voltaje entre los extremos de muchos materiales conductores es directamente proporcional a la corriente que fluye a través de él, siendo la constante de
proporcionalidad la resistencia eléctrica
La ley de OHM se expresa matemáticamente con la siguiente ecuación:
Voltaje = Resistencia x Corriente ( V = R x I )
LEYES DE KIRCHHOFF
El físico alemán Gustav Robert Kirchhoff ( 1824-1887 ) fue uno de los pioneros en el análisis de los circuitos eléctricos. A mediados del siglo XIX, propuso dos leyes que llevan su nombre y que facilitan la comprensión del comportamiento de voltajes y corrientes en circuitos eléctricos.
a. Primera Ley de Kirchhoff: Ley de Corrientes.
Esta ley se puede enunciar de la siguiente manera: la suma de todas las corrientes eléctricas que llegan a un nodo, es igual a la suma de todas las corrientes eléctricas que salen de él.
Suma I llegan nodo = Suma I salen nodo
Por definición, un nodo es un punto de unión o empalme de un circuito, en donde convergen tres o más conductores.
b. Segunda Ley de Kirchhoff: Ley de Voltajes.
Esta ley se puede enunciar de la siguiente manera: en un circuito cerrado o malla, las caídas de tensión totales son iguales a la tensión total que se aplica en el circuito.
En otras palabras, en un circuito cerrado o malla la suma de los voltajes de los elementos de consumo ( resistores ) generalmente es igual a la suma de los voltajes de las fuentes de alimentación.
ELECTROSTÁTICA Y ELECTROMAGNETISMO
Dos de los temas más interesantes, relacionados con la electricidad y la electrónica, y de los cuáles han surgido grandes aportes a la ciencia y la tecnología son la electrostática y el electromagnetismo. Por una parte la electrostática se preocupa de la medida de la carga eléctrica o la cantidad de electricidad presente en los cuerpos y en general, de los fenómenos físicos asociados a las cargas eléctricas en reposo; mientras que el
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electromagnetismo se encarga del estudio de los campos magnéticos producidos por corrientes eléctricas y su efecto en los elementos que se encuentran alrededor.
Condensadores o capacitores
Un condensador es un elemento pasivo que tiene la particularidad de almacenar carga eléctrica.
Los condensadores están formados por dos superficies metálicas conductoras llamadas armaduras, las cuáles se hallan separadas por un medio aislante denominado dieléctrico. Este dieléctrico puede ser aire, cerámica, papel o mica.
En los circuitos electrónicos se suele utilizar básicamente para eliminar la componente continua de una señal eléctrica o para almacenar tensión en un determinado momento ( como batería temporal ) y cederla posteriormente.
Inductancias o Bobinas
Los inductores son elementos pasivos formados por un arrollamiento de hilo conductor, bobinado normalmente sobre un núcleo de una sustancia ferromagnética. La ferrita y la chapa magnética son buenos ejemplos de los materiales más empleados. En algunas aplicaciones el núcleo es de aire, aunque esta sustancia es mucho menos conductora del campo magnético que los elementos ferromagnéticos.
Una inductancia es un dispositivo eléctrico que genera un flujo magnético cuando se hace circular por ella una corriente eléctrica. Las inductancias acumulan energía en forma de corriente.
Las bobinas no son muy empleadas en electrónica debido a su tamaño, peso y existencia de un campo magnético que puede alterar el comportamiento de otros elementos. Sin embargo su principio de funcionamiento se emplea en la construcción de otro elemento importante: el transformador.
El Transformador
El transformador básico consta de dos bobinas eléctricamente aisladas y enrolladas sobre un núcleo común.
La energía se transfiere de una bobina a otra por medio de acoplamiento magnético. La bobina que recibe la energía de la fuente de corriente alterna se llama devanado primario. La que proporciona energía a una carga a se llama devanado secundario.
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El núcleo de los transformadores se hace con un material magnético usualmente acero laminado. Algunas bobinas se arrollan sencillamente sobre formas huecas no magnéticas ( por ejemplo, de cartón o de plástico ), de manera que el material del núcleo sea en realidad el aire.
En electrónica los transformadores se emplean principalmente para disminuir el valor de voltaje en las fuentes reguladas.
APLICACIONES DE LA ELECTROSTÁTICA
Tomado de:http://www.fceia.unr.edu.ar/~fisica3/Aplic-Electr.pdf
Los principios de la electrostática han sido la base para el desarrollo de diversos dispositivos con diferentes aplicaciones. Entre estos se encuentran los generadores electrostáticos utilizados para acelerar partículas elementales, los precipitadores electrostáticos utilizados para reducir la contaminación atmosférica de las centrales carboeléctricas y la xerografía que ha revolucionado la tecnología del procesamiento de imágenes. A continuación describiremos el principio de funcionamiento de cada uno de ellos.
Aceleradores electrostáticos:
Los primeros aceleradores se construyeron a comienzos de la década de los treinta, en el Reino Unido y en EEUU, con el propósito de proporcionar suficiente energía a iones livianos como hidrógeno y helio, para que penetren a la región de las fuerzas nucleares. El acelerador británico fue diseñado por los físicos Cockroft y Walton en Cambridge en 1930, en tanto que E. Lawrence y M. S. Livingston desarrollaron en Berkeley el primer ciclotrón en 1932. Desde entonces otros aceleradores se han construido para obtener haces de mayores energías.
Estas máquinas han sido fundamentales en generar conocimientos en campos tales como fuerzas nucleares, reacciones nucleares, interacción de radiaciones con la materia y otros.
En la década de los ochenta, se inició la producción de un tipo de acelerador más compacto y orientado preferentemente a trabajos aplicados de tipo interdisciplinarios. En los nuevos destinos estas máquinas continúan generando conocimientos básicos en campos diversos como física atómica, física del estado sólido, ciencias de los materiales y otras, al mismo tiempo que transfieren metodologías nucleares a otras áreas.
Xerografía:
El proceso xerográfico fue inventado en 1937 por Chester Carlson. El término xerografía, literalmente (escritura en seco), fue realmente adoptado un poco después para resaltar la
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diferencia respecto a los procesos químicos húmedos. El concepto innovador de Carlson no encontró una aceptación inicial y sólo se obtuvo una realización práctica de su idea después de una pequeña compañía arriesgase su futuro en sus intensos esfuerzos para desarrollar el proceso.
El proceso de obtención de imágenes electrostáticas tiene lugar sobre una lámina delgada de un material fotoconductor que está apoyado sobre un soporte metálico conectado a tierra. Un fotoconductor es un sólido que es buen aislante en la oscuridad pero que resulta capaz de conducir la corriente eléctrica cuando se expone a la luz. En la oscuridad, se deposita carga electrostática uniforme sobre la superficie del fotoconductor.
Los aceleradores más antiguos fueron construidos principalmente para realizar
investigaciones en física nuclear.
Para desarrollar la imagen electrostática, se ponen en contacto con una lámina unas partículas pigmentadas finas con carga negativa. Estas partículas de tóner son atraídas hacia las regiones superficiales con carga positiva y entonces aparece una imagen visible. El tóner se transfiere a continuación a una hoja de papel que ha sido cargada positivamente con objeto de que pueda atraerlas. Un breve calentamiento del papel funde el tóner y lo pega produciendo una fotocopia permanente lisa para su utilización.
Finalmente, para preparar la lámina fotoconductora en el caso de una repetición del proceso, cualquier partícula de toner que permanece en la superficie se limpia mecánicamente y se borra la imagen electrostática residual, es decir, se descarga inundándola de luz. El fotoconductor está ahora listo para un nuevo ciclo, partiendo de la etapa de carga. En las fotocopiadoras de alta velocidad la capa fotoconductora frecuentemente tiene la forma de un tambor o cinta de movimiento continuo alrededor de cuyo perímetro están situados ciertos dispositivos para realizar las diversas funciones de la figura.
Precipitador electrostático:
Una importante aplicación de la descarga eléctrica en gases es un dispositiva llamado precipitador electroestático. Este aparato se utiliza para eliminar partículas de materia de los gases de combustión, reduciendo de ese modo la contaminación del aire. En especial es útil en centrales carboeléctricas y en operaciones industriales que generan grandes cantidades de humo. Los sistemas actuales son capaces de eliminar más del 99% de la ceniza y el polvo (en peso) del humo.
Generalmente se mantiene un alto voltaje (por lo común, de 40 kV a 100 kV) entre un alambre que corre hacia abajo por el centro de un ducto y la pared exterior, la cual está conectada a tierra. El alambre se mantiene a un potencial negativo respecto de las
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paredes, por lo que el campo eléctrico se dirige hacia el alambre. El campo eléctrico cerca del alambre alcanza valores suficientemente altos para producir una descarga en corona alrededor del alambre y la formación de iones positivos, electrones e iones negativos.
Además de reducir el nivel de partículas de materias en la atmósfera, el precipitador electrostática recupera de la chimenea materiales valiosos en forma de óxidos metálicos.
Cuando los electrones y los iones negativos se aceleran hacia la pared exterior por medio de un campo eléctrico no uniforme, las partículas de polvo en la corriente de gas se cargan a partir de los choques y la captura de iones. Puesto que la mayor parte de las partículas de polvo cargadas son negativas, pueden ser extraídas hacia la pared exterior mediante un campo eléctrico. Al sacudir de manera periódica el ducto, las partículas se desprenden y caen, y se agrupan en el fondo.