Electrónica fácil1

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Electrónica fácil1

  1. 1. Director técnico y redacción de textos Aurelio Mejía M. Director comercial Gabriel Jaime Mejía M. Portada Israel Henao con un técnico en Metalandes - Elico Registro de Propiedad Intelectual y Prensa, Resolución 205 del Ministerio de Gobierno de Colombia Número Internacional Normalizado de Publicaciones Seriadas (ISSN) 0120-6842 Tarifa postal reducida, permiso 1188 de la Administración Postal de Colombia Versión PDF (enero 2006) de la edición 16 original de Marzo de 1988 ELECTRÓNICA FÁCIL fue una publicación trimestral editada e impresa en Medellín, Colombia. Actualmente sólo es posible conseguir por Internet los 40 números que fueron editados, ya que la versión impresa se agotó. Aurelio Mejía amejiamesa@epm.net.co Medellín, Colombia Se permite la distribución gratuita de esta publicación por Internet 1 electrónica fácil
  2. 2. CONTENIDO NOCIONES BÁSICAS Origen de la electricidad/Aurelio Mejía 7 Los electrones, portadores de carga negativa 14 Electricidad dinámica, electricidad estática 16 Nociones elementales de electricidad/Union Carbide-Texas 19 Energía, trabajo y potencia/Aurelio Mejía 23 Cómo hacer que la electricidad lleve potencia/Texas 26 Qué es frecuencia eléctrica/Aurelio Mejía 30 Cómo se controla la potencia/Texas Instruments 32 Podemos almacenar la energía eléctrica / Aurelio Mejía 34 Qué es un circuito eléctrico . 39 Resistencia, reactancia, impedancia: un trabalenguas 47 Cómo influye la frecuencia en la reactancia capacitiva 48 La inducción electromagnética 50 La saturación del núcleo y la reactancia inductiva 55 Cómo influye la frecuencia en la reactancia inductiva 56 Qué es un transformador 57 Cómo interpretar los diagramas 58 El diodo, un rectificador de corriente alterna 79 Rectificación de onda completa 85 El diodo zener 88 El LED, un diodo emisor de luz 90 El transistor, un amplificador de estado sólido 92 Código de colores para los resistores y condensadores 102 Cómo interpretar los diagramas en circuitos prácticos 106 DE INTERÉS GENERAL Mendeléiev y su principal descubrimiento /Sputnik 10 EXPERIMENTOS Y CIRCUITOS PRÁCTICOS Arme un indicador de corriente con una brújula 71 Pila eléctrica con un limón 72 Improvise un electroimán 74 Electrizador para bromas con los amigos 75 Experimento para comprobar la inductancia 77 Arme un generador de corriente alterna 78 Construya un timbre "chicharra" 79 Interruptor para dos intensidades de luz 81 Luz intermitente con un neón 82 Haga un adaptador de corriente alterna 84 Adaptador con rectificación de onda completa 87 Cómo verificar el voltaje de un diodo zener 90 Cómo comprobar un diodo emisor de luz (LED) 91 Cómo comprobar un transistor con el ohmetro 100 Electrizador transistorizado para bromas 103 Fuente de corriente continua y voltaje variable 105 Arme un radio equivalente al de "Galena" 106 Arme un intercomunicador con un transistor 197 Fuente de alimentación de 0-12 voltios CD (DC) 108 Mini-Radio con 3 transistores 109 Avisador temporizado para hospitales 110 Libros de Aurelio Mejía 111
  3. 3. Introducción Esta es una revista escrita para los que no sabemos electrónica. Por consi- guiente, evitaremos las explicaciones académicas y el uso de las fórmulas matemáticas, las cuales no comprende- mos la mayoría de nosotros, los que gustamos de las cosas que podemos practicar, tocar, ver, etc. Si bien es cierto que los procesos matemáticos son indispensables para el diseño elec- trónico, procuraremos suministrar cir- cuitos prácticos ensayados, y basare- mos nuestras explicaciones en hechos comunes de la vida diaria. Como podrás apreciar en cada uno de los fascículos de Electrónica Fácil, procuramos que su lectura sea amena y de interés para los principiantes, los aficionados, los técnicos y los profe- sionales. Es por eso que la revista tiene temas teóricos, informativos y socia- les, además de infinidad de circuitos para la experimentación. No es indispensable entender cada tema en la primera lectura, pues en los artículos posteriores iremos repasando los principios básicos con otras palabras y ejemplos distintos. 5 Electrónica Fácil 1
  4. 4. Todos hemos sido principiantes Una de las cosas más frustrantes es leer algo que no entendemos, o que nos cuesta dificultad comprender, pues nos parece que hemos llegado ya al final del camino, y pensamos que, si no entendemos esto, mucho menos entenderemos lo que sigue. Puesto que nosotros también hemos pasado por tal situación, aconsejamos hacer inicialmente una lectura rápida del conjunto del tema, tomando en cuen- ta solamente los títulos y la ¡dea bá- sica de los párrafos. Después, si nos interesa o lo necesitamos para com- prender algo más complejo, releemos el artículo y tratamos de aprender ca- da uno de los términos allí expresados. En Electrónica Fácil procuramos que ninguna de las lecciones sea im- prescindible para el entendimiento de los fascículos siguientes. Es por ello que con alguna frecuencia, al tratar temas un poco complejos, repasamos los conceptos básicos que pueden ser de utilidad para el prin- cipiante. Para aquellos que desean conseguir un texto que explique de manera clara y con ejemplos sencillos toda la teoría básica sobre electricidad y electrónica, recomendamos el libro "Introducción a la Electricidad y a la Electrónica", traducido al español por José Meza Nieto del original en inglés escrito por Orla E. Loper v Arthur F. Ahr de New York. La versión que conocemos fué editada por Editorial Diana, cuya dirección es: Roberto Gayol 1219, Esq. Tlacoquemécatl, México 12, D.F. Electricidad Básica y Electrónica, Serie Uno Siete, son también dos bue- nas colecciones para la biblioteca de todo colegio técnico. Electricidad Básica consta de 5 vo- lúmenes y fue escrita originalmente en 1954 para el ejército de los Estados Unidos, por la firma Van Valkenburgh, Nooger and Neville, de New York. Ac- tualmente se consiguen ediciones re- cientes en Español, de las cuales cono- cemos la de la Compañía Editorial Continental, Calz. de Tlalpan Número 4620, México 22, D.F. Electrónica Uno Siete es una exce- lente serie en siete tomos de aproxi- madamente 140 páginas cada uno, donde se explican de manera muy cla- ra todas las señales electrónicas, los tipos de modulación, semiconducto- res, amplificadores, osciladores, ante- nas, líneas de transmisión, etc. La ver- sión original fué editada por Hayden Book Company, y una de las versio- nes en español fue hecha en 1976 por Editorial Limusa, Arcos de Belén Nú- mero 75, México 1, D.F. 6
  5. 5. Origen de la electricidad Aurelio Mejía M. No podemos afirmar a ciencia cierta a partir de qué momento el hombre descubrió el fenómeno al que poste- riormente habríamos de llamar electri- cidad, pero existen evidencias de que 600 años antes de Cristo fue observa- do dicho fenómeno por un filósofo griego, Thales de Mileto, quien descu- brió un misterioso poder de atracción y de repulsión cuando frotaba un trozo de ámbar amarillo con una piel o una tela. Esta sustancia resinosa, denomi- nada ELEKTRON en griego, dio ori- gen al nombre de la partícula atómica ELECTRON, de la cual se deriva el término ELECTRICIDAD. Figura 1 Posteriormente se descubrió que muchos materiales diferentes al elek- tron también adquirían el poder de atraer diversas partículas livianas, tales como trocitos de papel, de corcho, etc., al ser sometidas a frotamiento con pieles, sedas, vidrio, etc. Por simple relación con el fenóme- no del elektron, se adoptó el término "electrizado" para indicar que un cuer- po cualquiera había adquirido la mis- ma y extraña propiedad de aquel. Hoy tú puedes electrizar el peine y atraer hacia éste pequeños trozos de papel li- viano; para ello, basta con peinarte el cabello en un ambiente seco. También, puedes observar el fenómeno en los discos de música, cuando los sacas de su cubierta, o cuando los retiras del tocadiscos: Atraen los vellos de tu piel, y el polvo del ambiente. LA ELECTRICIDAD ESTA EN TODAS PARTES El efecto descubierto por Thales de Mileto en el ámbar se manifiesta tam- bién de diversas maneras en la natura- leza, según los materiales tengan exce- so, faltante, o circulación de electro- nes entre dos puntos cualquiera. A to- dos los efectos producidos por el esta- do de los electrones se les denomina genéricamente electricidad. Cuando hablamos de vapor, lluvia, hielo, río, mar, etc., indiscutiblemente Electrónica Fácil 17
  6. 6. nos estamos refiriendo al agua en una cualquiera de sus manifestaciones o es- tados. Pues bien, cuando escuchemos las palabras electrostática, electrodiná- mica, corrientes alternas, piezoelectri- cidad, etc., se están refiriendo a deter- minados comportamientos de los elec- trones en el espacio, en un material, en un medio, etc. Son electricidad los rayos de las tor- mentas, y las chispas que suenan cuan- do nos quitamos en la noche ciertos vestidos de material sintético; generan electricidad los peces llamados angui- las, y los cerebros nuestros para orde- nar al cuerpo sus movimientos; se pro- duce electricidad cuando se sumergen dos metales diferentes en una solución ácida o alcalina, fenómeno que tam- bién produce la corrosión de los empa- tes de conductores eléctricos diferen- tes cuando se les deja expuestos a la ac- ción de la lluvia y los ácidos produci- dos por los vapores que escapan de los motores de los vehículos; se produce electricidad en ciertas sustancias cuan- do reciben luz, por lo cual se dice que tienen efecto fotovoltáico; tam- bién, se genera electricidad cuando un conductor es sometido a la acción de las líneas de fuerza de un campo magnético de intensidad variable, o cuando se hace presión sobre las caras de ciertos cristales, efecto más conoci- do como piezoelectricidad. ESTRUCTURA BÁSICA DE LA MATERIA Así como los diversos colores y ma- tices se pueden obtener con la mezcla apropiada de unos pocos colores deno- minados primarios (usualmente amari- llo-azul-rojo para pinturas, y verde- azul-rojo para luces), así también, mez- clando apropiadamente unos 105 ele- mentos básicos conocidos, en la natu- raleza se forman todos los materiales o compuestos que vemos, olemos y pal- pamos, tales como el aire, la sal de co- cina, la madera, el agua, la arena, los huesos, la carne, los jabones, los áci- dos, los plásticos, etc. En otras palabras, si dividimos por la mitad un trozo de cualquier mate- rial o compuesto, y sucesivamente di- vidimos a su vez una de las mitades re- sultantes, llegará el momento en el cual obtengamos una molécula, o sea la mí- nima parte en que se puede dividir un compuesto químico y poder seguir conservando todavía sus propiedades físicas y químicas originales, tales co- mo el color, sabor, olor, etc. Si nos aguijonea la curiosidad, y re- solvemos dividir la molécula, obten- dremos dos o más elementos con pro- piedades usualmente muy distintas. Aunque en la naturaleza existen milla- res de moléculas, solamente se cono- cen unos 105 elementos, naturales y artificiales. Cuando un material tiene todas sus moléculas formadas de un mismo elemento, se dice que es puro. Tal es el caso del cobre, el oro, el alu- minio, el manganeso, el helio, el oxí- geno, el sodio, el nitrógeno, etc. y los demás elementos químicos que apare- cen en la tabla periódica ideada por el ruso Dmitri Mendeléiev (1834-1907). Todos los átomos de un mismo ele- mento son teóricamente iguales, aun- que pueden tener pequeñas diferencias en cuanto a la cantidad de electrones se refiere. Un ejemplo típico para ¡lustrar la diferencia entre molécula y elemento, es la sal común de cocina. Como tal, es parte indispensable para la prepara- ción de muchos alimentos, y está cons- tituida por moléculas de color blanco. 8
  7. 7. Figura 2 (Tabla tomada del Diccionario LAROUSSE) unidas formando cristales. Sin embar- go, cada molécula de la sal está inte- grada por un átomo del elemento So- dio y por un átomo del elemento Clo- ro. El Sodio (Na) es un metal de color gris, altamente mortal, pues reacciona violentamente al contacto con el agua. El Cloro, por su parte, es un gas de color verdoso, utilizado en los acue- ductos para matar los microbios del agua. Puesto que en la antigüedad se con- sideraba que ya no podía haber más división a partir de allí, se le dio el nombre de átomo a cada uno de los elementos que conforman la molécu- la, pues esta palabra significaba "indi- visible" en su idioma. Con los instru- mentos de la ciencia actual se ha com- probado que el átomo es divisible, y que está formado por varias partícu- las muy diferentes entre sí, tales como electrones (esferas muy pequeñas y li- vianas girando como trompos -Spin- y dando vueltas alrededor de un núcleo grande y pesado, tal como lo hacen los planetas alrededor del sol), proto- nes (esferas grandes ubicadas en el nú- cleo del átomo; pesadas y de propieda- des eléctricas contrarias a las de los electrones), neutrones (también en el núcleo, pero sin carga eléctrica cono- cida), neutrinos (partículas muy livia- nas y sin carga), mesones (partículas radioactivas con una masa 200 ó 300 veces mayor que la del electrón, pero con una carga igual a la del mismo, y otras más que no nos interesa conocer por ahora. Las partículas del núcleo están liga- das entre sí por una gran cantidad de energía, parte de la cual se libera cuan- do se produce alguna división (fisión) o agregado de partículas (fusión), y por su procedencia recibe el nombre de energía atómica. Electrónica Fácil 19
  8. 8. Electrones Átomo Figura 3 La tabla periódica de Mendeléiev tiene organizados los elementos quí- micos en forma ascendente según su masa atómica, correspondiendo su nú- mero de orden a la cantidad de proto- nes en el núcleo de cada átomo. Por consiguiente, los átomos de dos ele- mentos diferentes se distinguen por la cantidad de protones en su núcleo. El primer elemento es el hidrógeno, con un protón como núcleo, y un elec- trón girando a su alrededor. El elemen- to 29 es el cobre, y tiene 29 protones y 29 electrones. Dado que la masa del electrón es despreciable, el elemento sigue conservando sus propiedades fí- sicas aunque en un instante dado no corresponda el número de electrones con la cantidad de protones del núcleo. Cuando tal cosa ocurre, se dice que el átomo está eléctricamente cargado, en sentido positivo cuando hay faltante, y en sentido negativo cuando hay ex- ceso de electrones. Mendeléiev y su principal descubrimiento En 1984, se cumplieron 150 años del nacimiento de Dmitri Mendeléiev (1834-1907), uno de los grandes pensadores en la historia de la humanidad. Llevan su nombre una cordillera del océano Glacial Ártico, un volcán activo, un cráter lunar, un mineral, un elemento químico que lleva el número 101 en su tabla periódica de los elementos. . . 10
  9. 9. Valentín RICH De la Revista JIMIA I ZHIZN Artículo reproducido de SPUTNIK (Selecciones de la prensa soviética). Diciembre 1984 Los años 70 del siglo XIX tocaban a su fin. Para ese entonces, la humani- dad ya contaba con tres obras grandio- sas -cual puentes sobre un profundo abismo- acerca del pensamiento, la so- ciedad y la naturaleza: La ciencia de la lógica, de Jorge Hegel (1770-1831), El capital, de Carlos Marx (1818-1883) y el El origen de las especies por medio de la selección natural de Carlos Darwin (1809-1882). Faltaba descubrir los misterios de la substancia. A los 33 años. Dmitri Mendeléiev fue designado profesor de química ge- neral en la Universidad de San Peters- burgo*. Muchos decían que este joven de melena larga y vaporosa alrededor de su amplia y blanca frente, expresi- vo y vivo, de penetrantes ojos azules se parecía a Garibaldi. Durante las conversaciones siempre gesticulaba. Los amplios, rápidos y nerviosos mo- vimientos denunciaban su estado de * Actualmente Leningrado ánimo... Su voz era baja pero sonora y clara; su tono cambiaba mucho... "Maldice a diestra y siniestra y te sentirás bien", decía Mendeléiev, por supuesto que en broma. Jamás regaña- ba a nadie a sus espaldas, y siempre se interponía ante quienes osaban hablar mal de quien no estaba presente. "Cuan- do no se es capaz de decir las cosas de frente mejor callarse la boca", "¡Cuesta tanto ser honrado!" Todos los autores de memorias es- criben que con suma facilidad comen- zaba a hablar a gritos, aunque en esen- cia era una buena persona, solo que te- nía un sistema nervioso extremada- mente sensible. No se exceptúa que los caracteres congénitos de su personalidad se de- ban en parte a que era el último vásta- go de una familia de 17 hijos. Hoy día se cree que la posibilidad de mutacio- nes en la descendencia aumenta en re- lación con la edad de los padres. Durante toda su vida siempre hizo las cosas -tanto simples como impor- tantes- a su manera. Claro está que ir por un camino conocido resulta más fácil, pero la química era algo nuevo, joven y en la juventud todo envejece rápido. Por ejemplo, como no pudo encontrar nada de valor científico en los libros sobre química orgánica edi- tados en Rusia y Europa escribió - en dos meses de apasionado trabajo dia- rio (12 página en 24 horas)-, un curso universitario de 30 pliegos basado en principios totalmente nuevos. No de- seaba condicionar el orden del día a semejante bagatela como la rotación de la Tierra alrededor de su eje; por eso, trabajaba treinta o cuarenta horas seguidas. Y podía dormir otras tantas. 11 Electrónica Fácil 1
  10. 10. Desde sus años estudiantiles, Men- deléiev buscaba la relación entre los elementos. Hacía ya 15 años que acu- mulaba materiales, hechos, conocimien- tos. Pensaba en cómo colocar en un sistema único las islas y los archipiéla- gos químicos. Últimamente, por mu- chas y diferentes cosas que tuviera que hacer, nunca dejaba de pensar en ello. Es extraordinario combinar sus idea- les con el natural desarrollo de la vida práctica. Muchos lo que hacen es sim- plificar su vida al máximo para con- centrarse totalmente en lo ideal y es- piritual. Dmitri Ivánovich tenía tiem- po para todo: tanto para su trabajo en la mejor cátedra de química de Rusia, como para su numerosa familia y su hacienda con campos experimentales, unos de los primeros en Rusia. (¿Aca- so no se podría con la ayuda de la quí- mica hacer retroceder el agotamiento de la tierra?). De la ciencia uno se puede ocupar en cualquier lugar. La ciencia es una amante que lo abraza en todos lados con tal de que no la apartemos... Men- deléiev. Según Mendeléiev, 1860 -año en que tuvo lugar el congreso de químicos en Karlsruhe-, fue decisivo en el desarro- llo de sus reflexiones sobre la ley pe- riódica. "La idea sobre la periodicidad de las propiedades de los elementos au- mentando el peso atómico ya enton- ces, en esencia se me presentaba inte- riormente", escribía. Pero con la con- vicción intuitiva no se convence a los otros, por mucho que con ella haya comenzado la historia de numerosos descubrimientos. Mendeléiev creía en la intuición y la utilizaba conscientemente en diferen- tes aspectos de su vida. "Cuando de- bía resolver un problema difícil e im- portante -recuerda su esposa Anna- a paso muy rápido y ligero venía a don- de yo estaba, me planteaba el proble- ma y pedía una respuesta inmediata. 'No pienses, no pienses', repetía una y otra vez. Mi respuesta era decisiva..." Para aquel entonces, de los 92 ele- mentos que se encuentran en la natu- raleza, se conocían tan solo 62. Ade- más, al didimio lo consideraban una substancia simple, cuando en realidad es una mezcla de dos elementos deno- minados más tarde neodimio y praseo- dimio. Los pesos atómicos de por lo menos 10 elementos habían sido deter- minados aún con graves errores debido a que los químicos conocían poco es- tas substancias. Así, pues, la persona que tenía pensado disponer correcta- mente los elementos químicos en co- rrespondencia con sus pesos atómicos contaba sólo con el 57% de las 92 sus- tancias necesarias. 17 de febrero de 1869, Mendeléiev debía partir de San Pertersburgo a la provincia de Tver para examinar las queserías y dar sus recomendaciones con respecto a cómo modernizarlas. El tren partía al atardecer. En la historia de la ciencia son muy raros los casos en que quedan huellas palpables del pensamiento que condu- jo a un valioso descubrimiento. Este es uno de esos casos: la nota que recibió Mendeléiev en la brumosa mañana del 17 de febrero antes del de- sayuno; las huellas de la taza dejadas en ella y el escrito de la idea que pasó por su mente: unos símbolos quími- 12
  11. 11. cos, unas cifras, una escritura rápida, unas correcciones... Caos... Luego tomó una hoja de papel en blanco -que se conserva hasta hoy día- y bosquejó en ella una debajo de otra las filas de símbolos y pesos atómicos. Una idea adelantaba a la otra; la mano no alcanzaba a la ¡dea; los nú- meros se interponían; la armonía re- trocedía ante el caos de las correccio- nes. Cogió otra hoja y comenzó a copiar lo escrito, haciendo nuevos cálculos y transposiciones. Esta hoja también se convirtió en un jeroglífico. ¡Así no saldría nada! Las agujas del reloj seguían su paso sin detenerse. En la tarde debía partir. Ya había encontrado lo principal. Pe- ro a todo esto debía darle una forma lógica y clara. Imagínese como él, de- sesperado y furioso, a paso ligero y rá- pido recorría el gabinete en busca del método apropiado para componer lo antes posible el maldito sistema. El pupitre. El mechero de gas. El di- ván. Los armarios con libros. Las ma- traces con retortas. La balanza. Una pila de libros de la primera edición de su famosa obra Fundamentos de la química (la segunda ya estaba en im- prenta, solo faltaba que su autor inser- tara la solución definitiva del proble- ma) con olor a cola y pintura de tipo- grafía. Una resma de papel. El baúl ya listo para el viaje. La ropa sin acomo- dar. Un tomo de Julio Verne. Una ba- raja, para sacar solitarios, que siempre llevaba consigo durante los viajes. Un paquete de tarjetas de visita. '" ¡Y por fin sus ojos hallaron lo que necesitaba!... Cogió una pila de tarjetas, abrió su libro en las páginas necesarias y comenzó simbólicamente a jugar a los naipes. ¡No es difícil imaginar con qué ale- gría sacaba este extraordinario solita- rio! ¡Con qué rapidez ponía a los "seis", los "siete", las "damas" y los "reyes", es decir, los sencillos azufre e hidrógeno, la plata preciosa y el oro brillante! Siempre los percibió casi igual que a las personas. ¡Evidentemente el solitario había salido! Las primeras seis filas se forma- ron sin escándalos y en el siguiente or- den: los alcalinos, los halógenos, el oxígeno y sus parientes, la familia del nitrógeno y el fósforo, la del carbono y el estaño... Entre el silicio y el esta- ño quedaba un lugar vacío: el naipe con peso atómico 70 no se hallaba en el juego. ¿Y quién dijo que nuestro juego está completo? Cada año alguien descubre un nuevo elemento. Había también elementos "testaru- dos" que confundían su "palo" quí- mico o les era imposible encontrar su lugar en la fila. Tampoco sabía dónde poner a los elementos poco estudia- dos: el rodio, el rutenio, el tantalio, el torio, el circonio, el lantano. ... Y de nuevo cogía la pluma para escribir en la hoja columnas de cifras. Una y otra vez dejaba de anotar, per- plejo, armaba un cigarrillo y fumaba hasta que se le nublaba la vista... Al final, sus ojos se pegaron, se tiró en el diván y se durmió como un tron- co. Esto no era raro en él. Pero esta vez durmió poco, quizá unas horas o quizá unos minutos. No quedó ningún testimonio al respecto. Se despertó después de ver, en sueños, a su solita- rio hecho, no como lo había dejado 13 Electrónica Fácil 1
  12. 12. sobre la mesa, sino en forma lógica. En seguida se levantó y comenzó a consti- tuir una nueva tabla que se distinguía de la primera en lo siguiente: primero, los elementos se disponían de menor a mayor (y no en el orden inverso); se- gundo, en todos los lugares vacíos po- nía signos de interrogación y cifras. Durante mucho tiempo el cuento de Dmitri Mendeléiev acerca de la ta- bla vista en sueños lo tomaron como anécdota. Encontrar algo racional du- rante el sueño se consideraba supersti- cioso. Hoy día, la ciencia no pone ba- rreras entre los procesos que se reali- zan en la conciencia y la subconcien- cia. Tampoco consideran sobrenatural que el cuadro que no se formó duran- te la reflexión conciente se haya cons- tituido en la subconciencia. Mendeléiev hizo algunas correccio- nes en la tabla, tachó un elemento su- perpuesto entre el nitrógeno y el litio. Escribió su título -Experimento para sistematizar los elementos basándose Por denominación puramente con- vencional y arbitraria, de manera simi- lar a como se denominó polo sur y po- lo norte a los extremos de atracción de los ¡manes, se llamó carga negativa a la propiedad del electrón, y carga positiva a la del protón. en su peso atómico y propiedades quí- micas- en ruso y francés. Puso la fe- cha: 17 de febrero de 1869... El Experimento estaba lejos de ser exacto. De los 66 elementos puestos en filas solo 48 estaban colocados co- rrectamente. Si se agrega a estos 26 elementos más, desconocidos en aque- llos tiempos, la relación entre lo correc- to e incorrecto era de 48:44. Los cons- tructores saben que para la primera muestra de una nueva máquina esta re- lación es natural. Pero si así funciona, ya es una excepción. En el mejor de los casos los primeros aviones saltaban un poco. Las primeras lámparas incan- descentes se quemaban enseguida. ¡Pero el primer modelo experimen- tal de la tabla periódica de los elemen- tos funcionaba! El puente tendido a través del abismo de lo desconocido aún se balanceaba bajo los pies, dejan- do al descubierto numerosos agujeros. Pero los valientes ya podían cruzar el abismo por él. Aurelio Mejía M. Así como los polos de igual signo de un ¡man se rechazan, y los contra- rios se atraen, así también los electro- nes se repelen entre sí, pero son atraí- dos por los protones hacia el núcleo, evitando que sean lanzados al espacio en virtud de la fuerza centrífuga. Los electrones, portadores de carga negativa 14
  13. 13. Debido a los patrones de fuerzas re- sultantes de la repulsión mutua entre los electrones (por tener cargas negati- vas iguales) y de su atracción hacia el núcleo (por acción de los protones, con carga positiva), los electrones se distri- buyen en las órbitas formando capas cada vez más alejadas del centro. Re- sulta interesante anotar que cada capa, según su número de orden a partir de la más cercana al núcleo, no puede al- bergar más de un número determinado de electrones, ni tampoco puede tener más de 8 electrones en su órbita o ca- pa exterior. El patrón de distribución de los elec- trones en las capas es igual para todos los elementos, diferenciándose uno de otro solamente en la cantidad de capas y el total de electrones. Así, por ejem- plo, en la primera capa u órbita no se admiten más de 2 electrones. En la se- gunda nunca pueden haber más de 8, ni en la tercera más de 18. En la cuar- ta y en la quinta solo se reciben hasta 32, y en la sexta no se permiten más de 18. Puesto que en la última órbita nun- ca pueden haber más de 8 electrones, es común encontrar átomos con su pe- núltima capa incompleta aunque ten- gan los electrones suficientes para lle- narla. Pensemos, por ejemplo, en el elemento número 28 (níquel), el cual dispone en su estado eléctrico neutro de 28 electrones para repartir según el patrón establecido, de la siguiente ma- nera: 2 + 8 + 18. Sin embargo, para cumplir el requisito de que la última capa no debe pasar de los 8 electrones, se establece una cuarta órbita con al- gunos de los 18 de la tercera. LAS MOLÉCULAS TAMBIÉN TIENEN UN LÍMITE DE 8 Hasta ahora hemos mencionado que existen los electrones, partículas ató- micas pequeñísimas dotadas de movi- miento rotatorio a manera de trom- pos (efecto conocido como "Spin") y de movimiento de traslación alrededor de un núcleo. También hemos dicho que a su poder de atracción y de re- pulsión se le ha denominado carga eléctrica negativa, y que es contraria y de igual intensidad a la carga de los protones, razón por la cual tienden a cancelarse mutuamente sus efectos. Dicho de otra manera, el átomo se considera eléctricamente neutro cuan- do sus cargas negativas (electrones) son ¡guales a las cargas positivas (pro- tones). La tendencia de los átomos a tener 8 electrones en su órbita externa, de- nominada capa de valencia, es lo que los hace unirse y formar las moléculas. De esta manera comparten sus electro- nes externos, los cuales se mueven ahora formando una órbita común que envuelve al conjunto. Según la configuración de esta órbita se for- man las uniones amorfas y las uniones 15 Electrónica Fácil 1
  14. 14. cristalinas. La fuerza del ligamento re- cibe el nombre de "cohesión molecu- lar". Las moléculas de estructura cristali- na (de forma simétrica, a manera de cubos, polígonos, etc.) presentan pro- piedades eléctricas muy utilizadas en la fabricación de cristales para circuitos osciladores, en las cápsulas fonocapto- ras de los tocadiscos, en los dispositi- vos a base de ondas acústicas superfi- ciales (tales como los filtros SAW usa- dos en los televisores a color), en algu- nos tipos de micrófonos y de parlan- tes, etc. ELECTRICIDAD DINÁMICA, ELECTRICIDAD ESTÁTICA Si hacemos mover las partículas de carga a lo largo de un medio conduc- tor, estamos produciendo lo que se co- noce como "corriente eléctrica". Po- demos imaginar que la corriente eléc- trica es algo así como una multitud de personas visitando una exposición de obras de arte en un museo. Hacen una línea, avanzan, se detienen y miran, continúan caminando y salen por la puerta al final de la galería. Sí, los electrones también pueden avanzar en forma continua, o detenerse a interva- los denominados pulsos, o alternar su sentido (devolverse). También podemos quitar o agregar muchos electrones a un trozo de ma- terial, para romper el equilibrio entre las cargas positivas y negativas de los átomos, y al hacerlo estamos generan- do lo que se denomina electricidad es- tática. Podemos entender más fácilmente lo anterior si nos imaginamos un tea- tro en el cual se anuncia una gran pelí- cula. Al comienzo hay muchas sillas vacías, razón por la cual es positivo que usted puede conseguir boleto para entrar. Llegado cierto momento se co- pa la capacidad de la silletería y todas las demás personas que siguen entran- do se tienen que estar de pie. Por lo visto, el teatro está sobrecargado nega- tivamente, y permanece así hasta que se termine la película, instante en el cual se produce un tumulto que cami- na rápido hacia las puertas de salida. Los cuerpos cargados con electricidad estática también la pueden descargar en un momento dado, y producir tem- poralmente una corriente o flujo de electrones. BUENOS CONDUCTORES ELÉCTRICOS Los átomos que solamente tienen un electrón en su órbita externa tien- den a soltarlo con facilidad. Además, y puesto que tienen 7 espacios dispo- nibles, pueden alojar temporalmente otros electrones libres que provengan de átomos vecinos. Por su gran capaci- dad para ceder y recibir electrones se les denomina buenos conductores de electricidad, tanto dinámica como es- tática. Entre el grupo de los buenos conduc- tores están la plata (Ag), el cobre (Cu), el oro (Au) y el aluminio (Al). Con tales materiales se fabrican las líneas de conducción (alambres) y también las placas para los condensadores que habrán de almacenar energía en forma de electricidad estática. Por tener el oro muchas capas orbitales y su electrón externo muy lejos del núcleo que lo atrae, y por ser inmune a la oxidación, se le emplea en la fabricación de circuitos integrados. 16
  15. 15. CONDUCCIÓN IÓNICA Hasta ahora hemos definido la co- rriente eléctrica como un flujo de elec- trones continuo (constante), intermi- tente (a pulsos) o alterno (que cambia de sentido a intervalos regulares). Sin embargo, existen casos especiales en que son los átomos los que se despla- zan de un lugar a otro llevando su car- ga eléctrica. Esta situación se presenta cuando el medio conductor es un gas o un líquido, y a tales átomos se les denomina iones. Por lo común, los átomos compo- nen moléculas eléctricamente neutras, con igual número de electrones que de protones. Sin embargo, por acciones químicas y eléctricas externas se pue- de romper dicha molécula, y obtener así una parte con más electrones que protones, llamada ion negativo. Al res- to se le denomina ion positivo, por quedar con más protones que electro- nes. A manera de ejemplo, un ion es al- go así como un gran corcho con un pequeño imán en su interior. Si lo po- nemos a flotar en un estanque con agua, se orienta hacia los polos magné- ticos terrestres cual si fuese una brúju- la; o podemos hacerlo alejar o acercar cuando le aproximemos los polos nor- te o sur de un imán externo. Pues bien, de manera similar se comportan los átomos cuando les falta o llevan exce- so de electrones (digamos que algo así como pequeñísimos polos negativos). Con la aplicación de dos conductores eléctricos a los dos extremos de una vasija que contenga los iones, es posi- ble hacer que se alejen los unos y se acerquen los otros, siguiendo aquella ley que dice: Polos o signos iguales se repelen; polos o signos contrarios se atraen. Esta propiedad de los iones es la base de la galvanoplastia, un méto- do electroquímico para hacer recubri- mientos metálicos en piezas, tal como el cobreado, plateado, niquelado, cro- mado, etc. CAPA DE VALENCIA Y LOS TIPOS DE UNION Los electrones que se ubican en la capa externa del átomo, llamada capa de valencia, reciben el nombre de elec- trones de valencia. Su nombre provie- ne del griego, y significa "enganche". Con esto se quiere dar a entender que los electrones de valencia son los que permiten a los átomos unirse mutua- mente. Aunque no lo necesitamos por ahora para nuestro estudio, por lo me- nos recordemos que los átomos pue- den formar uniones metálicas, iónicas y covalentes. La unión metálica es la que se lleva a cabo entre átomos de elementos bue- nos conductores de la electricidad, aquellos con solo un electrón en la ca- pa de valencia, y se caracteriza por un movimiento desordenado y continuo de sus electrones de valencia, pasando de un átomo al siguiente para llenar momentáneamente las capas exterio- res de todos. La unión iónica o electrovalente es la que se forma cuando se asocian áto- mos de elementos diferentes, de forma tal que los unos ceden electrones de valencia a los otros, formándose iones positivos y negativos, los cuales se jun- tan debido a la atracción entre sus car- gas de signo contrario. La unión covalente tiene lugar entre átomos de elementos diferentes, pero en este caso, a diferencia de la unión iónica, los átomos se resisten a ceder o a tomar electrones de valencia, razón 17 Electrónica Fácil 1
  16. 16. por la cual los comparten mutuamente para completar sus respectivas capas. Por ejemplo, en el caso de dos átomos que tienen cada uno de a cuatro elec- trones externos, tal como ocurre con el germanio y el silicio, entonces cada átomo deja que uno de sus electrones sea alternativamente compartido con el otro. En otras palabras, cada átomo conserva tres electrones en su propia órbita, mientras los dos electrones que hacen el enlace pasan alternadamente de una a otra capa de valencia. ELEMENTOS AISLANTES Un átomo con ocho electrones de valencia es completamente estable, y resistirá casi cualquier intento de qui- tarle un electrón. Puesto que tampoco reciben electrones libres, no permiten la formación de corrientes eléctricas. Se dice que son los mejores aislantes, y dada su alta resistencia a los cambios en la capa de valencia, hasta hace muy poco tiempo se creía que no se com- binaban con ningún otro elemento pa- ra formar compuestos, por lo cual se los llamó elementos inertes o nobles. A esta clase pertenecen los gases helio, neón, argón, criptón, xenón y radón. Figura 5 Los átomos que tienen 7 electrones en su última capa también presentan alta resistencia a la formación de un flujo electrónico, pues todos ellos es- peran capturar de a un electrón para completar los 8 que requiere la capa de valencia. Entre los elementos de es- te grupo están el flúor, cloro, bromo, yodo y astatino. En la práctica, los aislantes utiliza- dos para interrumpir u oponer resis- tencia al paso de una corriente eléctri- ca se obtienen a base de compuestos, con moléculas que no tengan tenden- cia a liberar o recibir electrones libres. ELEMENTOS SEMICONDUCTORES Siguiendo el razonamiento anterior, es fácil deducir que los átomos con dos electrones de valencia no son tan buenos conductores como aquellos que solo tienen uno, pero si permiten el movimiento de electrones más fácil- mente que los átomos con tres electro- nes externos. De manera similar, los de seis son menos aislantes que los de sie- te, pero más que los de cinco. Aquellos elementos que están en el punto medio, con cuatro electrones de valencia, y que por consiguiente no se inclinan hacia los conductores, ni ha- cia los aislantes, reciben el nombre de semiconductores. A este grupo perte- necen el germanio y el silicio, dos ele- mentos muy utilizados en la fabrica- ción de diodos, transistores y circuitos integrados. Mediante técnicas apropiadas se puede mejorar o modificar las caracte- rísticas eléctricas de un material se- miconductor, agregándole algunos áto- mos diferentes que produzcan un ex- ceso o un déficit de electrones en las 18
  17. 17. uniones. Puesto que estos materiales agregados tienden a dañar o ensuciar la estructura cristalina (unión covalente o de par electrónico) del silicio o el germanio puros, se les denomina im- purezas, o elementos dopantes. Cuando el átomo utilizado como impureza tiene solamente tres electro- nes de valencia forma una unión de siete con el elemento semiconductor, razón por la cual se dice que ha queda- do un hueco en la retícula o red crista- lina de los enlaces. Las impurezas tri- valentes más comunes son el indio, el galio y el boro. Puesto que en un semi- conductor inyectado con impurezas de este tipo predominan las cargas po- sitivas (también denominados porta- dores positivos) sobre el número de electrones, a tal semiconductor se le llama tipo p. Cuando los átomos dopantes tienen de a cinco electrones en la capa exter- na, queda sobrando un electrón al hacer el enlace con los átomos del material semiconductor. Estos electrones libres extra aportan al semiconductor un número mayor de electrones de los que tendría normalmente, por lo cual recibe el nombre de tipo n. Las impurezas pentavalentes más utilizadas son el arsénico, el fósforo y el antimonio. Condensado de un artículo suministra- do por Unión Carbide de Colombia, y de un capítulo del libro "Understan- ding Solid-State Electronics", editado por Texas Instruments Learning Center. 19 Electrónica Fácil 1
  18. 18. Puesto que nosotros no podemos ver, tocar ni percibir la energía eléctri- ca como tal, debemos estudiarla con base en sus efectos, mensurables por medio de instrumentos que indican el grado de su acción. Entender el comportamiento de la electricidad nos resulta fácil si pone- mos atención a la figura 6, debido a que existe una gran semejanza entre su forma de actuar y las características de los líquidos. Su flujo se parece al del agua, y de manera similar tiende a llenar cada espacio que encuentre disponible. Así como el agua puede ser bombeada para producir una co- rriente a través de una red de tuberías o caños, así también los electrones de un alambre pueden ser empujados a través de un circuito o red de con- ductores, por medio de una batería o un generador apropiado. De mane- ra similar a como el agua, por acción de la fuerza de gravedad, busca tener el mismo nivel en toda la superficie del recipiente, así también los electrones tienden a alcanzar la misma densidad a través de un circuito, por acción de las repulsiones mutuas de sus cargas nega- tivas. UNIDAD DE CANTIDAD ELÉCTRICA La unidad de cantidad de electrici- dad, o carga eléctrica, es el Culombio. Representa una cantidad definida de energía eléctrica, del mismo modo en que un litro representa una cantidad determinada de agua. Un culombio equivale, aproximadamente, a 6 280 000 000 000 000 000 electrones libres. Químicamente hablando, un culombio es la cantidad de electricidad requeri- da para ocasionar, en una solución, la precipitación de 0,00111800 gramos de plata metálica. CORRIENTE Cuando el agua corre a través de un caño, tenemos lo que se llama un flujo o corriente de agua. Del mismo modo, cuando la electricidad fluye a través de un conductor o alambre, tenemos una corriente de electricidad. El caudal de una corriente de agua puede ser indi- cado en litros por segundo; la intensi- dad de una corriente eléctrica se ex- presa en culombios por segundo. Se de- nomina un Amperio a una corriente constante de un culombio por segun- do, y su nombre fue dado en honor al matemático y científico francés Andrés María Ampère (1775-1836), quien ideó la electrodinámica e inventó el electroimán y el telégrafo. RESISTENCIA Por experiencia sabemos lo difícil que resulta respirar cuando tenemos tapada una de las dos fosas nasales, ya que nuestros pulmones deben aumen- tar la presión para lograr inhalar o ex- pulsar el volumen de aire que el orga- nismo requiere. Similarmente, un caño ofrece una cierta resistencia al paso del agua. Cuanto menor sea su diámetro, o mayor sea la longitud, más grande será la resistencia al flujo. También los conductores eléctricos presentan resistencia al paso de la co- rriente eléctrica a través de ellos; cuan- to más reducido sea el calibre o sec- ción transversal, y más largo el alam- bre, mayor será la resistencia. En estos dos aspectos, la resistencia de un caño de agua y la de un conductor eléctrico son similares. Una manera fácil de ex- perimentar esto, es tratar de respirar a través de mangueras que tengan dife- rente largo y diámetro. Indudablemen- te, la menor resistencia al paso del aire 20
  19. 19. la encontraremos en la manguera más ancha y en la más corta. La resistencia eléctrica, sin embar- go, involucra también otras propieda- des del conductor: su temperatura y su material. Hemos explicado que, en el caso de los átomos de un buen con- ductor, es fácil sacarles un electrón de sus órbitas de valencia, lo cual equiva- le a decir que se requiere poca energía para hacerlo. De hecho, se requiere mayor energía para liberar un electrón de un átomo aislante. Cuando se trata de los semiconductores, se requiere menos energía que en el caso de los aislantes, pero más que en el de los conductores. Algunos materiales, como el carbón y las soluciones electrolíticas, dismi- nuyen su resistencia eléctrica a medida que la temperatura aumenta. Otros, por el contrario, mejoran su enlace molecular y aumentan la resistencia al subir la temperatura. En los circuitos electrónicos se necesita a veces una de estas dos características, y para obte- nerla se utiliza un dispositivo denomi- nado termistor. Cuando su resistencia aumenta con la temperatura, se dice que es de coeficiente positivo. En caso contrario, su coeficiente será negativo. En los metales buenos conductores, tal como el cobre y el aluminio, es despre- ciable el efecto de la temperatura so- bre su resistencia. En cuanto a la resistencia depen- diente del material, esta se explica en razón de la mayor o menor energía re- querida para liberar los electrones ex- ternos de su banda u órbita. El cobre, por ejemplo, debido a que tiene sola- mente un electrón de valencia, ubica- do en la cuarta capa y lejos de la atrac- ción del núcleo, es uno de los mejores conductores eléctricos. Existen otros metales que ofrecen menor resistencia, tal como el oro y la plata, pero su alto costo hace que se empleen solamente en aplicaciones especiales. En los cir- cuitos electrónicos se utiliza muy a menudo un dispositivo llamado resis- tor, el cual se puede conseguir con va- lores definidos de resistencia eléctrica, con su magnitud especificada en el cuerpo por medio de bandas de color, o con caracteres siguiendo un código internacional. La unidad de resistencia eléctrica se llama Ohmio, y se expresa con el símbolo W. Un Ohmio es la resistencia que tie- ne un conductor, cuando, al aplicar una tensión eléctrica de un Voltio en- tre sus extremos, se produce una co- rriente de un Amperio. VOLTAJE Para ocasionar el flujo de agua a tra- vés de una cañería se necesita una de- terminada presión, ya sea la suminis- trada por una bomba, o por la diferen- cia de niveles entre la superficie del agua y el orificio de salida. Como se puede ver en la figura 7, la presión que ejerce el líquido sobre la válvula de salida depende de la carga hidrostática (es decir, la altura de la columna de agua), y se la expresa ge- neralmente en "metros de agua". De manera similar, se requiere una deter- minada presión eléctrica para enviar una corriente de electricidad a través de un conductor. Esta presión eléctri- ca se denomina Fuerza Electromotriz (fem) o voltaje. La unidad correspon- diente se llama Voltio en honor del fí- sico italiano Alejandro Volta (1745- 1827), inventor de la pila eléctrica que lleva su nombre. 21 Electrónica Fácil 1
  20. 20. Un Voltio es la presión requerida para causar una corriente de un culom- bio por segundo (un Amperio) a través de un conductor que ofrece una resis- tencia de un Ohmio. Según el ejemplo de la figura 6, de- bido a que el canal presenta resistencia al flujo, el agua demora un poco en ha- cer el recorrido entre la salida del grifo y la boca del tubo de succión, presen- tando, en consecuencia, diferencias de nivel entre dos puntos cualquiera, sien- do mayor la diferencia de alturas en el sitio de colocación de la bomba. A mayor diferencia entre los niveles superior e inferior, mayor será la pre- sión que empuja el agua a través del canal, aumentando así el volumen de galones por minuto. Si ponemos más canales en serie, se aumenta la resisten- cia y disminuye el nivel del agua en el punto de succión. En la práctica, des- de el punto de vista eléctrico, se intro- ducen ciertas resistencias a un circuito con el fin de disminuir ("tumbar") el voltaje en un punto específico. En términos eléctricos, el bombeo de electrones de un extremo a otro de 22
  21. 21. un circuito se puede hacer de diversas maneras, ya sea utilizando una batería o un generador de corriente, acciona- do por una caída de agua o por un molino de viento, etc. La diferencia de altura entre los niveles del líquido del ejemplo anterior equivale a la diferen- cia de potencial (voltaje) entre dos puntos cualquiera de un circuito o conductor eléctrico. El voltaje será máximo entre los dos extremos, don- de se tiene conectada la fuente de ten- sión eléctrica (presión). LA LEY DE OHM Se conoce como Ley de Ohm a la relación existente entre el voltaje (E), la resistencia (R) y la corriente (I) en un circuito eléctrico, y debe su nombre al físico alemán Georg Simón Ohm (1789-1854), quien fue el primero en establecer que la corriente en un cir- cuito es directamente proporcional al voltaje aplicado, e inversamente pro- porcional a la resistencia. Ello puede ser expresado en la siguiente fórmula, donde E corresponde a la inicial de "Electromotriz", para referirse al volta- je o fuerza que hace mover los electro- nes a través de un conductor o circui- to: Energía, Trabajo y Potencia Aurelio Mejía M. Fuerza electromotriz Amperios de (Voltios) corriente = —————————— Resistencia en Ohmios Matemáticamente se puede deducir que E = IR (para conocer el voltaje, basta con multiplicar la corriente en amperios por la resistencia en ohmios). La resistencia, a su vez, se puede obte- ner dividiendo el voltaje por el valor de la corriente en amperios, aplicando la fórmula siguiente: R = E/I. La ley de Ohm afirma que, dados dos circuitos sometidos a igual voltaje, la corriente será proporcionalmente mayor en aquel circuito que ofrezca menor resistencia. Dicha ley también establece que, en circuitos de resisten- cias iguales, la corriente que por ellos fluye será directamente proporcional al voltaje aplicado. En otras palabras, una elevada resistencia o un reducido voltaje determinan una corriente redu- cida. Por simple deducción de la figura 6, al ampliar el canal, o al elevar más el nivel del agua en el lado del tanque, se aumenta el caudal del agua. Desde el punto de vista eléctrico, equivale a decir que la corriente (I) aumenta cuando se disminuye la resistencia (R), o cuando se aumenta la diferencia de potencial eléctrico (E, V). Estos tres nuevos términos se en- cuentran muy ligados, tanto como lo están corriente, voltaje y resistencia en los circuitos eléctricos que hemos es- tudiado. Pues bien, la verdad es que todo circuito eléctrico se diseña para llevar a cabo un trabajo. Para que di- cho circuito pueda efectuar su trabajo necesita energía, ya que de lo contra- rio no funciona. Electrónica Fácil 123
  22. 22. La energía se manifiesta de muchas formas en la naturaleza. Hay energía eléctrica, mecánica, luminosa, calóri- ca, química, atómica, etc. Tener ener- gía es tener capacidad para desempe- ñar un trabajo útil. Todo trabajo al efectuarse consume energía, pero está comprobado que ésta no se pierde si- no que se transforma en otra energía de forma distinta. Una de las leyes fundamentales de la física nos dice que "la energía no se crea ni se destru- ye; sólo se transforma" (ley de la con- servación de la energía). Los motores eléctricos, por ejemplo, hacen su traba- jo a base de convertir energía eléctrica en mecánica; las bombillas al trabajar transforman electricidad en energía lu- minosa; cuando el obrero golpea con su herramienta el duro suelo, efectúa su trabajo gracias a que la energía quí- mica de su cuerpo se transforma en energía mecánica. Así como una misma persona puede saber varios idiomas, así también un mismo objeto físico tiene en un mo- mento dado varias formas de energía, distintas en su naturaleza pero traduci- bles a una muy común: Calor. Una simple rama de un árbol, por ejemplo, tiene energía potencial por el sólo he- cho de estar suspendida en el aire. Si la rama se cae, dicha energía potencial se transforma primero en energía ciné- tica (energía mecánica, de movimien- to) y luego en calórica, ya que al res- balar contra el piso se presenta el fe- nómeno de la fricción, el cual trans- forma la energía cinética en calor. Ade- más, este trozo de madera se puede usar después para alimentar una calde- ra, con lo cual continúa el proceso de transformación o de trabajo con la energía almacenada, la cual probable- mente tuvo su origen en la energía so- lar recibida por el árbol. Ya sabemos que la energía calórica y luminosa del sol es transformada en energía quími- ca por los vegetales, la cual se aprove- cha luego para la producción de oxí- geno, etc., etc. Cada sección de la físi- ca tiene sus propias unidades de medi- da para la energía que le compete, ya sea luminosa, cinética, potencial, caló- rica, radiante, atómica, sonora, eléctri- ca, etc., por lo que se necesitaría un estudio amplio para comprenderlas. ENERGÍA = CAPACIDAD PARA EFECTUAR UN TRABAJO TRABAJO = TRANSFORMACIÓN ÚTIL DE UNA FORMA DE ENERGÍA A OTRA DISTINTA (aprovechamien- to de la energía). POTENCIA = TRABAJO REALIZADO EN LA UNIDAD DE TIEMPO. Energía y trabajo son generalmente designados con una misma unidad de medida. En un sistema mecánico, la energía necesaria para mover un obje- to es el producto de la fuerza aplicada por la distancia recorrida. Si una caja que pesa 10 libras es levantada a una altura de 4 pies, el trabajo ejecutado y la energía requerida para este trabajo es igual a 10 x 4 = 40 pies - libra. La unidad más empleada para medir el trabajo mecánico es el joule (julio, en español), que equivale a un poco me- nos de un pie-libra (1 joule = 0.738 de pie-libra), la cual recibió su nombre en honor a James Prescott Joule (1818 - 1889), físico inglés, quien fué el prime- ro en estudiar la dependencia entre la cantidad de calor producida y la mag- nitud del trabajo mecánico que generó dicho calor. En otras palabras, Joule halló el valor correcto del equivalente mecánico del calor mediante el trabajo realizado durante la expansión de una masa gaseosa. 24
  23. 23. El trabajo que hace la corriente en los circuitos eléctricos aparece en for- ma de energía química en la electróli- sis, o en forma de energía cinética en los motores. Pero si el circuito está formado únicamente por resistencias óhmicas, ese trabajo aparece íntegra- mente en forma de calor. Pues bien, el señor Joule encontró que la cantidad de calor producida es directamente proporcional al cuadrado de la intensi- dad, a la resistencia del circuito, y al tiempo que dure el fenómeno eléctri- co. Pequeñas calorías (cal) = 0.24 I2 Rt En todo circuito eléctrico se hace un trabajo siempre que los electrones sean forzados a circular a través de una resistencia. La cantidad del traba- jo hecho depende de la cantidad de electrones movidos y del potencial (voltaje) necesitado para hacerlos pa- sar por la resistencia. La cantidad o carga de electrones es el total de elec- trones que pasan por un punto en un cierto lapso de tiempo, valor que está dado por la siguiente relación. Carga Q = Intensidad x tiempo La energía o trabajó en un circuito eléctrico es igual al producto del volta- je por la cantidad de electrones movi- dos. Se usa la letra W para designar trabajo y energía. W = VQ W = VIt El trabajo es igual al producto del voltaje en voltios (en algunas fórmulas matemáticas se acostumbra utilizar la letra E para indicar voltaje), corriente en amperios, y tiempo en segundos. Se necesita un joule de energía para hacer fluir 1 amperio de corriente a través de una resistencia cuando se tiene apli- cada una tensión de 1 voltio durante 1 segundo. La potencia eléctrica, como la po- tencia mecánica, es directamente pro- porcional al trabajo e inversamente proporcional al tiempo durante el cual se realiza ese trabajo. Potencia = Trabajo/tiempo P=VQ/t P = Voltaje x Intensidad La unidad práctica de potencia es el joule/segundo, pero en los circuitos eléctricos se acostumbra el watt (vatio, en español), en honor a James Watt, ingeniero escocés (1736 - 1819), quien diseñó la máquina de vapor de doble efecto. Cuando este señor comenzó a vender sus motores, que más tarde da- rían origen a la locomotora de vapor, tuvo que especificar su potencia com- parándolos con los caballos que iban a reemplazar. Encontró que un caballo promedio, que trabajara en propor- ción constante, podía hacer 550 pies- libras de trabajo por segundo. Este va- lor recibió el nombre de caballo de fuerza, o un HP, de las palabras Horse (caballo) y Power (potencia, fuerza). 1 joule/segundo = 1 vatio La potencia eléctrica aumenta con el voltaje y con la corriente, siendo en consecuencia proporcional al produc- to de ambos. Un vatio es igual a una corriente de un amperio fluyendo a la presión de un voltio, y su fórmula co- rrespondiente es: W (vatios) = E (voltios) x l (amperios) Cuando un voltaje de 20 voltios ge- nera una corriente de 2 amperios a tra- vés de un resistor de 10 ohmios, la po- tencia del circuito es: Electrónica Fácil 125
  24. 24. P = VI = 20 x 2 = 40 vatios Nosotros podemos decir que la ener- gía está siendo convertida de eléctrica a energía calórica a una rata de 40 va- tios por segundo. Generalmente se usa el término "disipación" para describir la conversión de energía eléctrica en calor. En este ejemplo, el resistor está disipando 40 vatios de potencia. Se puede relacionar una corriente eléctrica con el agua corriente de un río: ... puede ser torrentosa, con mu- cho o poco caudal... puede ser una co- rriente serena, que invita al baño, o un hilo de agua que cae libremente desde una gran altura. En electrónica también tenemos co- rrientes eléctricas con variados niveles de tensión y de corriente, dependien- do del objetivo del circuito. Su capaci- dad para efectuar un trabajo (mover un motor, encender una bombilla, ca- lentar una resistencia de fogón, etc.) dependerá de la combinación adecua- da de la tensión y la corriente, así co- Condensado de un capítulo del Libro "Understanding Solid-State Electro- nics". Editado por Texas Instruments Lear- ning Center. Una de las aplicaciones prácticas de la electricidad, es que puede llevar energía, o potencia, de un lugar a otro. mo el poder de los ríos se mide tam- bién por el efecto combinado de su torrente y caudal. Es lógico que la can- tidad de agua que sale de la ducha de nuestro baño no es suficiente para ha- cernos daño ni aunque esté cayéndo- nos desde 30 metros de altura, pero no podríamos decir lo mismo si se tratase de la tubería que alimenta a todo nues- tro barrio; en este caso el impacto del agua nos tumbaría y ocasionaría da- ños en nuestro cuerpo. En el ejemplo del río, su corriente puede tener un gran caudal pero su le- cho corre por un llano de muy poca pendiente; en este caso no tendríamos potencia suficiente para mover una rueda Pelton, para accionar un genera- dor eléctrico o un molino, ya que, ade- más de una buena corriente, se necesi- ta que tenga una adecuada velocidad. El ejemplo opuesto se nos presentaría en una zona montañosa, en la que una mínima corriente corre presurosa en- tre las altas peñas: si el caudal no es suficiente, tampoco se logra hacer gi- rar la turbina. Volviendo a la analogía con el agua, y tal como lo muestra la figura 8, la ener- gía desarrollada por el hombrecito de la bomba es usada por su compañero para accionar la sierra que está cortan- do el tronco de madera. Desde el pun- to de vista eléctrico, el generador pone energía en el circuito cuando "bom- bea" electricidad desde un nivel de Cómo hacer que la electricidad lleve potencia 26
  25. 25. voltaje bajo hasta un nivel de voltaje alto. Dicha energía se puede recuperar haciendo el trabajo inverso, es decir, haciendo que la tensión eléctrica caiga de un voltaje alto a un voltaje bajo. Así como el hombrecito de la figura 8 puede poner más potencia a la tur- bina que impulsa la sierra, incremen- tando la altura en la caída del agua, o aumentando el flujo del agua, así también nosotros podemos hacer que el generador (GEN) eléctrico aumente la potencia hacia el motor (MOT), ya sea poniendo otro que aporte una ma- yor diferencia de potencial (voltaje), o haciendo crecer la intensidad de la co- rriente. Aunque en nuestro ejemplo hemos utilizado la bomba para representar a un generador, que es un dispositivo que convierte energía mecánica en energía eléctrica, en la práctica tam- bién se puede referir a un micrófono, elemento encargado de convertir la energía sonora en energía eléctrica. La rueda de paletas representa cualquier dispositivo que reconvierta la energía eléctrica a la forma original. Por ejem- plo, puede ser un motor que produzca energía mecánica, o un parlante que entregue energía sonora. LA RESISTENCIA DE UN CIRCUITO DISIPA ENERGÍA EN FORMA DE CALOR Veamos ahora que sucede cuando retiramos el motor y dejamos que el agua caiga libremente, tal como se muestra en la figura 9. El salto de agua es ahora simplemente el equivalente de un resistor (dibujado con línea en zig-zag en el circuito eléctrico). Pero, qué está sucediendo a la energía el 27 Electrónica Fácil 1
  26. 26. trabajo- que está poniendo el hombre- cito en el agua con su bomba?. Esta energía se está gastando solamente en vencer la fricción, o resistencia, en las paredes del canal y la caída del agua. Puesto que la fricción genera calor, se presentan diferencias en la tempera- tura del agua que sale del grifo de la bomba y la que hay en el canal infe- rior. En resumen, en un circuito eléc- trico se utilizan los resistores para "ha- cer caer" el potencial entre dos pun- tos, pero la diferencia de energía (el producto de voltios por amperios) es convertida en calor. Es por este fenó- meno que se produce el calentamiento de las resistencias de la estufa, y la in- candescencia del filamento de las bom- billas eléctricas. Aunque dos resistores para uso elec- trónico pueden tener un mismo valor de resistencia ohmica, es posible que estén hechos para soportar la disipa- ción de potencias diferentes. En otras palabras, para una misma resistencia se producen resistores que pueden "gas- tar" 1/4, 1/2, 2, 5, etc., vatios de po- tencia sin sufrir deterioro por el au- mento de su temperatura. CORRIENTE DIRECTA, PULSANTE Y CONTINUA En los circuitos anteriores hemos 28
  27. 27. visto que el agua siempre fluye en una dirección, formando lo que se deno- mina corriente directa, o simplemente "dc". Cuando el generador funciona como la bomba de mano de la figura 9, que solamente expulsa agua cuando el hombrecito baja la palanca, se dice que la corriente es directa pulsante, y a la duración de cada chorro se le lla- ma ciclo de trabajo (duty cycle). A la cantidad de chorros por segundo (ci- clos de operación subida-bajada de la palanca) se le denomina frecuencia de pulsos. Otro caso se presenta cuando la bomba utilizada como dispositivo generador de la corriente es del tipo turbina, la cual funciona en forma continua y entrega un chorro unifor- me. Cuando esto sucede decimos que la corriente es directa continua, o simplemente "cc" (corriente conti- nua). CORRIENTE ALTERNA Cuando la corriente invierte alterna- damente su sentido dentro del circuito recibe el nombre de corriente ac. Un circuito para corriente alterna trabaja de manera similar a uno para corriente directa, excepto que se requiere un ge- nerador especial para bombear la co- rriente primero en una dirección a tra- vés del circuito y el motor, y luego en la otra dirección. Para recobrar la energía de la corriente en cualquiera de sus sentidos se utiliza un motor es- pecial. La figura 10 muestra un circuito de corriente alterna en términos hidráu- licos. El pistón o compuerta conecta- da a la palanca que el hombrecito mue- ve hacia uno y otro lado, empuja pri- mero el agua en una dirección, y luego en sentido contrario. El dispositivo que cumple tal función con la electri- cidad recibe el nombre de generador ac. 29 Electrónica Fácil 1
  28. 28. Qué es frecuencia eléctrica Aurelio M e j í a . La frecuencia de la corriente alterna es justamente la medida de cuan a me- nudo ella cambia de dirección. Esto es, si llamamos ciclo a cada recorrido completo de ¡da y vuelta de los elec- trones a través del conductor, o una porción de éste, entonces frecuencia es la cantidad de ciclos por cada se- gundo. Se da el nombre de "hertz" a una frecuencia de un ciclo por segundo, en honor al físico alemán Heinrich Ru- dolph Hertz (1857-1894), quien de- mostró la existencia de ondas electro- magnéticas y que estudió varias de sus propiedades (longitud, velocidad, re- fracción, reflexión, polarización). Abrió el camino de la telegrafía inalámbrica y fue el primero en observar el efecto fotoeléctrico. En los circuitos eléctricos reales se utilizan frecuencias mayores que las que serían posibles con nuestro mode- lo hidráulico. Por ejemplo, escucha- remos kilohertz, que equivale a miles de ciclos por segundo, megahertz, que significa millones, y gigahertz, que in- dica billones. La corriente alterna se obtiene a par- tir de generadores que aprovechan el electromagnetismo, fenómeno por el cual un campo magnético de intensi- dad variable puede alterar las trayecto- rias de los electrones en los átomos de un conductor cercano. Dicho de otra manera, las líneas de fuerza del campo magnético actúan como cuerdas de ar- co lanzando electrones cual si fuesen flechas. Para que las "cuerdas" se ten- sionen y cumplan su cometido es in- dispensable que éstas se muevan, es decir, que el imán se aleje o se acerque al conductor. 30
  29. 29. A la distancia total que el electrón logre avanzar en un vaivén completo (un ciclo), se llama longitud de onda. Imagina el movimiento acompasado de un péndulo de reloj, o recuerda el ejemplo hidráulico de la figura 10, y observa que, debido a la inercia del agua, resulta imposible iniciar a plena velocidad el movimiento de la compuerta que empuja el hombrecito. Si llamamos "media longitud de onda" al segmento recto del canal por el cual se desplaza la compuerta en una dirección, resulta evidente que la máxima velocidad se alcanza cuando la compuerta llegue al centro de la "media longitud de onda", punto en el cual el hombrecito debe comenzar a frenar, hasta llegar a velocidad cero, o punto del retorno. Pues bien, los electrones también experimentan esos mismos cambios de presión en una corriente alterna, llamándose amplitud máxima o voltaje pico a la diferencia de potencial existente en el centro de cada "media longitud de onda". Miremos la figura 12. Existen también generadores de co- rriente continua basados en el electro- magnetismo, pero requieren ciertos ar- tificios, tales como rectificadores de corriente o sistemas mecánicos para inversión de los polos. De esto se en- cargan unas escobillas de carbón pues- tas en contacto con unas laminillas de cobre (delgas) localizadas en el rotor del generador. REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE UNA CORRIENTE ALTERNA Para un principiante es confuso que las ondas de corriente alterna se dibu- jen como crestas y valles de olas acuá- ticas, cuando sabemos que los electro- nes se mueven a lo largo del conductor. Se ha utilizado esta representación gráfica con el fin de poder visualizar mejor las características de sentido (polaridad), voltaje (amplitud) y frecuencia (hertz). Si unimos un lápiz al extremo de un péndulo de reloj, y colocamos debajo de éste una hoja de papel, veremos que el lápiz traza siempre una línea recta. Sin embargo, cuando movemos lentamente la hoja hacia un lado, mientras el péndulo funciona, los trazos del lápiz dejan de coincidir uno sobre el otro, y ante nuestros ojos aparece una onda como la mostrada en la figura 12. Electrónica Fácil 131
  30. 30. Condensado de un capítulo del libro Understanding Solid-State Electronics, editado por Texas Instruments Learning Center. Traducción y adaptación: Aurelio Mejia M. 32
  31. 31. Ya conocemos las características del flujo de una corriente, y sabemos que puede llevar potencia de uno a otro sitio. Pues bien, dicha potencia puede ser controlada para hacer que el sistema se comporte como lo nece- sitamos. Existen dos maneras de controlar la potencia. La primera consiste en re- gular la cantidad de potencia que el generador pone en el circuito. En el ejemplo hidráulico que hemos utiliza- do en la figura 8, la potencia que lle- ga a la sierra circular depende de la potencia aplicada a la bomba. Si el hombrecillo bombea vigorosamente, sube más el nivel del agua y aumenta la presión sobre la turbina que mueve a la sierra. En la práctica, sin embar- go, la potencia disponible en los siste- mas eléctricos no tiene control en su fuente. La segunda, y la forma más común de controlar la potencia, consiste en regular la tensión eléctrica, o la co- rriente, en algún punto intermedio del circuito. La figura 13 nos ilustra como ejercer este control -observe la repre- sa que forma el hombrecillo con la compuerta deslizante. Suponiendo que la bomba de agua está trabajando a un ritmo constante, se puede variar la potencia de corte de la sierra circular solamente deslizando la compuerta hacia adentro o hacia afuera del canal. Puesto que el hombrecillo puede interrumpir el flujo, limitar su caudal, o abrir del to- do la compuerta, se tiene en conse- cuencia un control sobre la potencia aplicada a la turbina. Se puede hacer que la sierra se detenga, corte lento, o más rápido. El hombrecillo de la compuerta es representativo de todo aquello que tenga incidencia sobre el flujo eléctri- co dentro de un circuito, entre la fuente de alimentación de potencia y el punto de su utilización. Resumiendo: Nosotros sólo pode- mos hacer dos cosas a la electricidad entre la fuente de potencia y el pun- to de utilización: Interrumpirla , lo que equivale a la función "encendido- apagado", o regularla, lo cual pode- mos hacer variando el valor de una re- sistencia intercalada en el circuito. El diagrama esquemático de la figu- ra 13 nos ilustra en términos eléctricos lo que hemos dicho. Como se puede apreciar, entre el generador (bomba) y el motor (turbina de agua) se encuen- tra un resistor variable, usualmente lla- mado "potenciómetro", el cual tam- bién puede actuar como un interrup- tor para encendido-apagado. Electrónica Fácil 133
  32. 32. EL CONDENSADOR, UN ELEMENTO PARA ALMACENAR ELECTRICIDAD Al igual que los resistores, los con- densadores se utilizan ampliamente en el diseño de circuitos electrónicos. Bá- sicamente, un condensador consiste en dos placas metálicas paralelas (electro- dos) separadas por un espacio de aire. Cuando se suministra una tensión de corriente continua a través de los elec- trodos, se almacena entre ellas una carga eléctrica proporcional a dicha tensión. La polaridad de la carga depende de la dirección de la corriente suministra- da. Cuanto mayor sea el área (superfi- cie) de los electrodos enfrentados, y menor la distancia entre ellos, mayor será la carga eléctrica almacenada (ca- pacitancia). La figura 15 nos muestra la forma elemental de un condensar- dor. 34 ¿Podemos almacenar la energía eléctrica? Aurelio Mejía M. Así como podemos contener pintu- ra a presión dentro de un envase tipo aerosol, o podemos almacenar ener- gía mecánica comprimiendo un resor- te, así también podemos ejercer pre- sión sobre un flujo de electrones y obligarlos a que se acomoden "apretu- jados" dentro de una placa o lámina de material conductor. Al aumentar la tensión eléctrica (voltaje) haremos que un mayor número de átomos reciban más electrones libres en sus respecti- vas capas de valencia, cual si estuviése- mos inflando un globo de caucho. Para liberar la energía en cada caso, bastará con abrir la válvula del envase, o soltar el resorte, o poner la placa en contacto con otro conductor que reci- ba fácilmente a esos electrones exce- dentes. Cuando eso suceda, se producirá momentáneamente un flujo que tien- de a establecer el equilibrio de las car- gas positivas y negativas. Ahora bien, si en lugar de una sola placa ponemos dos bien juntas, sin que se toquen, obtendremos mejores resultados, ya que se les puede llenar con cargas de signos opuestos. Al unir por medio de un circuito externo dichas placas, los electrones almace- nados en la negativa fluirán hacia la positiva, y podremos utilizar dicha corriente eléctrica para ejecutar los trabajos previstos. A este dispositivo formado por las dos placas se le denomina condensador (o capacitor).
  33. 33. Si se coloca un material aislante entre los electrodos, tal como se ilus- tra en la figura 16, la capacitancia se vuelve aún más alta. El material que da un valor particularmente alto de capacitancia se llama dieléctrico. Los dieléctricos más empleados son el papel, la mica, la cerámica, óxidos de aluminio, el tantalio, el poliéster y el polipropileno. La unidad básica de capacitancia es el Faradio (unidad F). Un condensa- dor tiene una capacitancia de 1 Fa- radio cuando es capaz de almacenar una carga equivalente a 1 Culombio (unos 6,3 billones de billones de elec- trones) al aplicar una tensión de 1 Voltio entre sus placas. La unidad de capacitancia recibió su nombre en honor al químico y físi- co británico Michael Faraday (1791 - 1867), quien descubrió la manera de producir corriente eléctrica por medio del magnetismo (o inducción electro- magnética), haciendo girar un disco de cobre entre los polos de un imán (28 de octubre de 1831). Además de la teoría de la influencia electrostáti- ca, se le debe la formulación de las le- yes de la electrólisis (leyes de Faraday). También, licuó varios gases: produjo nuevas clases de vidrio óptico y efec- tuó la vaporización del mercurio. Como el faradio es una unidad de- masiado grande para aplicaciones prác- ticas, se utilizan unidades de capaci- tancia más pequeñas, como el microfa- radio (mF =millonésima parte de un fa- radio), el nanofaradio (nF = milésima parte de un microfaradio) y el picofa- radio (pF = milésima parte de un nano- faradio). Por ejemplo: 0,001mF = 1nF = 1000 pF Puesto en paralelo con la fuente de tensión de un circuito, el condensador hace las veces del tanque de almacena- miento de agua en nuestras casas: cuan- do falte el suministro principal, enton- ces la energía almacenada en el con- densador trata de mantener uniforme la corriente. En este caso se dice que el condensador está conectado como filtro de la fuente, o eliminador del riza- do en las fluctuaciones del flujo. 35 Electrónica Fácil 1
  34. 34. Conectado en serie con los otros elementos del circuito, se comporta como si dejase pasar corriente sólo momentáneamente, mientras se cargan o descargan las placas. Despreciando este flujo transitorio, podemos afirmar que el condensador no permite el paso de corrientes directas. Otra cosa sucede con las corrientes alternas, pues aunque no haya paso fí- sico de electrones a través del espacio entre las placas del condensador, sí puede haber flujo eléctrico en el resto del circuito externo, producido por la carga y descarga sucesiva de las placas cada vez que la corriente eléctrica in- vierte su dirección. El grado de con- ducción para las corrientes alternas de- pende esencialmente de su frecuencia y de la capacitancia del condensador. Si no existen fugas de corriente a través del dieléctrico, la energía alma- cenada en las placas del condensador se conserva indefinidamente, aunque desconectemos la fuente de tensión. En la práctica siempre existen fugas, debido principalmente al tipo y cali- dad del material. Cuando las fugas son motivadas por arco eléctrico entre las placas, debido a una sobretensión, se produce el rompimiento del dieléctri- co y queda inservible el condensador. Para evitar esto, nunca se debe conec- tar un condensador a una tensión ma- yor que la estipulada nominalmente en su cuerpo. TIPOS DE CONDENSADORES Según la aplicación y las condicio- nes del circuito, existen diversos tipos de condensadores, tales como los de capacitancia variable y los de valor fi- jo. Los condensadores variables son ge- neralmente de muy baja capacitancia, tienen placas móviles y se utilizan para ajuste de resonancia en circuitos osci- ladores y de sintonía de frecuencias. Los hay para ajuste esporádico, me- diante destornillador, y para ajuste fre- cuente, tal como el que tienen los ra- dios para la sintonía de las emisoras. Símbolos y formas de algunos tipos de condensador Figura 17 Los condensadores fijos tienen gran variedad de formas, tamaños y dieléc- tricos. Los hay a manera de discos, ci- líndricos, ovalados, y con forma de pastilla cerámica rectangular ("chip"), etc., según se requieran ciertas caracte- rísticas de estabilidad a la temperatura y fluctuacionesen la tensión y frecuen- cia de las corrientes que han de mane- jar. Se consiguen unidades de muy ba- ja capacitancia, tal como los conden- sadores de disco (hechos con dos pe- lículas de plata separadas por un die- 36
  35. 35. léctrico cerámico a base de titanato de bario) y también los hay de muy alta capacidad de carga, tales como los de tantalio y los electrolíticos de alumi- nio. CONDENSADORES ELECTROLÍTICOS Si extendemos sobre la mesa una hoja de papel que previamente hemos arrugado bastante con nuestras manos, observaremos que su tamaño (largo x ancho) se ha reducido, con relación a la hoja lisa original. Sin embargo, la superficie real, aquella que tendría que recorrer un insecto en el caso de tener que ir de una esquina a la otra del lado opuesto, sigue siendo la misma. Pues bien, para un condensador de capacitancia mayor que 1 microfara- dio, no resulta práctico emplear dos placas lisas para el electrodo negativo (cátodo) y el positivo (ánodo), ya que resultaría de un tamaño tal que sería imposible su aplicación en los nuevos aparatos miniatura. En este caso se so- mete una de las placas de aluminio a un proceso de corrosión y oxidación química (anodizado), de tal forma que se formen en su cara infinidad de mi- núsculas "arrugas", "canales", "labe- rintos", etc. Como se puede apreciar en la figura 18, todas estas porosida- des se encuentran cubiertas por una delgada capa de óxido de aluminio, el cual es aislante eléctrico y hace las ve- ces de dieléctrico en el condensador. El electrólito que impregna el papel electrolítico tiene por misión servir de conductor eléctrico intermediario en- tre los electrodos ánodo y cátodo, ya que puede llenar cada cavidad e irregu- laridad del material de las placas. Di- cho de otra manera, el electrolito es una continuación del cátodo. Electrónica Fácil 137
  36. 36. Así como las gradas permiten que un mayor número de personas puedan ver el partido en el estadio, así también las irregularidades y porosidades de las placas facilitan la acomodación de un mayor número de electrones. Los condensadores electrolíticos normales no se pueden utilizar para el paso de corrientes alternas, pues la capa aislante de óxido de aluminio "se disuelve" cuando las cargas eléctricas circulan en sentido contrario al previs- to, ocasionando fugas y cortocircuitos entre los electrodos. A estos conden- sadores se les utiliza más comúnmente para filtrar el rizado en fuentes de ali- mentación, o para el paso de señales cuando corresponden simplemente a variaciones de tensión en una corrien- te directa. Por esta razón, a los elec- trolíticos también se los llama conden- sadores polarizados. Cuando se requiere un condensador no-polarizado de alta capacitancia, se puede implementar colocando en serie dos condensadores electrolíticos, uni- dos por electrodos de igual signo. Pre- feriblemente deben ser ¡guales, y con capacitancia equivalente al doble de la requerida, pues el valor resultante de dos condensadores iguales en serie es igual a la mitad del valor de uno de ellos. 38
  37. 37. Qué es un circuito eléctrico Se denomina circuito eléctrico a la trayectoria que sigue una corriente eléctrica para ir del polo negativo al polo positivo del elemento generador de la fuerza electromotriz (voltaje). Aunque se dan casos como el de las se- ñales de radio, que viajan por el espacio en todas las direcciones, y el de los ra- yos y chispas que saltan entre dos pun- tos a través del aire, usualmente se toma como circuito solamente a la configu- ración de conductores y dispositivos puestos por el hombre para llevar a cabo una determinada función con di- cha corriente. El circuito más corto podría ser simplemente un alambre comunicando los dos polos opuestos de la fuente de corriente (algo así como unir median- te un tubo la entrada con la salida de la bomba accionada por el hombrecito de un tema anterior), pero tal corto- circuito no tendría sentido práctico. Puesto que no hay ningún dispositivo que regule la magnitud de la corriente eléctrica, se puede sobrecargar y reca- lentar el alambre que hace las veces de puente. CARACTERÍSTICAS DE UN CIRCUITO CON RESISTORES EN SERIE Ejemplos de circuitos en serie son los vagones de un tren, las personas que hacen fila en línea a la entrada de un teatro, el contador de consumo de energía y los aparatos eléctricos de nuestra casa, etc. Electrónica Fácil 139
  38. 38. Para comprender más fácilmente como se afectan la corriente y el vol- taje de un flujo eléctrico al pasar por los diferentes elementos de un circui- to en serie, imaginemos un edificio que, por ser muy alto, requiere el uso de varios ascensores, puestos uno a continuación del otro, para poder mo- vilizar las personas del piso 40 al 35, del 35 al 18; del 18 al 6, y de allí al primer piso. Podemos ver claramente que el flu- jo de personas (corriente) se interrum- pe cuando uno de los ascensores se daña (se abre el circuito), ya que los pasajeros del ascensor que viene a em- patar con éste tienen que esperar a que lo reparen para poder continuar bajando. Dicho de otra manera, el ascensor más estrecho (con mayor re- sistencia) limita el número de pasaje- ros por todo el sistema. Además, aunque un ascensor sea es- pacioso (con poca resistencia) limita en algo el flujo, ya que las personas pierden velocidad (voltaje) cada vez que tienen que hacer el transbordo. La pérdida de velocidad (caída del volta- je) depende directamente de la falta de cupo suficiente en el ascensor (gra- do de resistencia). La resistencia total es igual a la suma de las resistencias individuales de cada resistor conectado en la serie, ya que la corriente tiene que vencer la oposición de éste Y y de ése Y de aquél, puesto que tiene que pasar a través de todos ellos. En otras pala- bras: R total en serie = R1 + R2 + R3 + . . . La corriente que pasa a través de dos o más resistores en serie, es la mis- 40
  39. 39. ma para todos ellos, y su valor se pue- de deducir aplicando la ley de Ohm (I = V/R) para los dos extremos del circuito, o para los extremos de uno cualquiera de los resistores involucra- dos en la serie. La máxima corriente a través de un circuito en serie está limitada por la cantidad de electrones que puedan pasar por la parte de ma- yor resistencia del recorrido (en la práctica esto equivale a un conductor de calibre reducido o de mucha lon- gitud). I total en serie = Voltaje en extremos de serie + R total I total = I en R1 = I en R2 = I en R3 I (amp.) = Voltaje en extremos del resistor 2 dividido por R2 ( i 2 = V 2 / R 2 ) La suma de las diferencias de poten- cial en cada uno de los resistores de un circuito en serie es igual al valor del voltaje aplicado entre sus extremos. Si tenemos agua en un tanque que esté a cierta altura del piso, digamos a 10 metros, entonces la diferencia de altu- ra entre el piso (nivel 0) y el tope del líquido (nivel 10) equivalen a la pre- Tanque alto con agua Presión total Cuando en un circuito intercalamos impedancias en serie se va disminuyendo (dividiendo) la tensión para las etapas que quedan a continuación. Figura 23 P total =P1 + P 2 Presión 2 Electrónica Fácil 141
  40. 40. sión disponible para ejecutar un tra- bajo, el cual puede consistir en mover una turbina con el chorro de descarga. Nosotros podemos canalizar el agua del tanque con dos o más tuberías puestas en forma escalonada, para ob- tener chorros de agua con presión me- nor que la que se obtendría con una sola tubería puesta desde el tanque hasta el piso. Es evidente que la altura máxima equivale a sumar la altura de cada uno de los canalones o tuberías necesarias para bajar el agua hasta el suelo. Pues bien, de manera análoga con el ejemplo anterior, los resistores puestos en serie con una corriente eléctrica "tumban" cada uno una cierta por- ción de la fuerza electromotriz o dife- rencia de potencial aplicada en los ex- tremos de la serie. Estas caídas parcia- les de tensión son. proporcionales al valor de cada resistor, ya que la inten- sidad de la corriente es la misma para todos ellos, como tuvimos oportuni- dad de apreciarlo en el ejemplo de los ascensores en cadena en un edificio muy alto. CARACTERÍSTICAS DE UN CIRCUITO CON RESISTORES EN PARALELO Cuando los elementos componen- tes de un circuito están colocados a manera de ramales por los que la co- rriente proveniente de la fuente de energía tiene la opción de dividirse, y de volverse a reunir más adelante, se tiene lo que se denomina una co- nexión en paralelo o en "shunt". A manera de ejemplo, si imagina- mos un gran edificio muy ancho, que necesita tener varios ascensores funcionando desde un mismo piso has- ta el primer nivel, para poder movili- zar la gran cantidad de personas que llegan a sus oficinas, podemos decir entonces que tales ascensores están funcionando en paralelo. Si todos los ascensores viajan a la misma velocidad (es decir, tienen el mismo "voltaje"), resulta evidente que la mayor circulación de personas ("co- rriente") se hace por el ascensor más amplio (el de menor "resistencia"). Además, el flujo total de personas que salen por la puerta principal del edi- ficio (corriente proveniente de la fuen- te de energía) es igual a la suma de las personas movilizadas por cada ascen- sor, tanto por los amplios como por los estrechos. En este sistema con ascensores en paralelo hay la opción de escoger éste, O ése, O aquél, para poder bajar del piso alto a la calle. Pues bien, en elec- trónica digital también se presenta es- te mismo caso con las señales binarias, y se le denomina función lógica OR. Para que el dispositivo mencionado tenga señal de salida (corriente o vol- taje) es suficiente con que una cual- quiera de las patillas de entrada tenga aplicada una señal del mismo tipo. Poniendo otro ejemplo, si imagina- mos una ciudad que solamente tiene una autopista para la entrada de veh ícu- los, y otra para su salida, podemos pensar en que las muchas calles que la cruzan paralelamente dentro de su pe- rímetro presentan diferentes opciones a los conductores: Por la más rápida se deciden la mayoría (la de menor re- sistencia), mientras que por la más lar- ga o la más angosta optan solamente unos pocos automovilistas (siguiendo la comparación con un circuito eléc- trico, digamos que esta es la vía de mayor resistencia). 42
  41. 41. Así como los extremos del recorri- do de los ascensores en paralelo de nuestro ejemplo están todos a la mis- ma altura del suelo, es decir, parten del mismo nivel, así también los extre- mos de dos o más resistores, condensa- dores, etc., puestos en paralelo tienen la misma diferencia de potencial (vol- taje) para cada uno de ellos. Así pues, para averiguar el valor de la intensidad de la corriente por cualquiera de las ramificaciones basta con dividir el va- lor del voltaje por el valor de la res- pectiva resistencia cuya corriente que- remos conocer (Ley de Ohm). PARA CUANDO NO HAYA MAS REMEDIO Las siguientes fórmulas son para aplicar en aquellos casos en que no tengamos a la mano el diagrama esque- mático con las características que ne- cesitamos. Se debe trabajar con vol- tios, amperios y ohmios. Resistencia total del circuito: Pues- to que la corriente se puede dividir por varios caminos, es evidente que la resistencia total debe tener un valor más bajo que el valor de cualquiera de los resistores individuales. Cuando se conocen los valores de cada uno de los resistores se puede averiguar la resistencia resultante, me- diante "el recíproco de la suma de los recíprocos", o sea con la siguiente fór- mula: 1 Rtotal = 1/R, +1/R2 + 1/R3 Cuando solamente se quiere cono- cer el valor de resistencia resultante de conectar en paralelo dos resistores, R1 y R2, es más práctico utilizar esta fór- mula: R1 x R2 Rt = R1 + R2 Cuando se trata de conocer el valor resultante de la conexión en paralelo de resistores iguales, simplemente bas- ta con dividir el valor de la resistencia de un resistor (en ohmios) por la can- tidad N de resistores: Rt = R/N Si conocemos la intensidad de la co- rriente, digamos que 0.035A (35 mili- amperios), y el circuito tiene aplicada una fuerza electromotriz de 10 vol- tios, podemos utilizar otra fórmula más fácil: 43 Electrónica Fácil 1
  42. 42. unen en paralelo se suman sus capaci- dades. Así como dos tanques con agua se pueden unir en paralelo con una tubería que los comunique (lla- mada "vaso comunicante"), con el fin de poder almacenar más cantidad de galones o de litros del líquido, así también podemos conectar en paralelo dos ó más condensadores para sumar la superficie de sus placas, y obtener así una capacitancia equivalente para dicha área: Ct = C1 + C2 + C3 + etc Para condensadores en paralelo, el voltaje máximo aplicable queda limita- do por el valor del condensador que lo tenga nominalmente más bajo. Di- cho de otra manera, si tenemos varios tanques conectados en paralelo, unos de mayor altura que otros, entonces el nivel máximo que puede alcanzar el agua en el sistema queda limitado al nivel máximo del tanque más bajo, ya que por éste se empieza a derramar cualquier cantidad de agua que siga- mos virtiendo a partir de tal altura. CIRCUITOS CON CONDENSADORES EN SERIE Cuando dos ó más condensadores se Cuando dos ó más condensadores se 44 Rt = V/It = 10V/0,035A Rt = 285ohms intensidad total a través de resisto- res en paralelo: Evidentemente, tal como lo apreciamos en el ejemplo de los ascensores, el flujo total es la suma de las corrientes parciales a través de cada una de las posibles derivaciones: It = I1 + l2 + l 3 Si conocemos la diferencia de po- tencial (voltaje) entre los extremos de un determinado resistor (valor igual para todos los resistores en paralelo), podemos averiguar cada intensidad parcial de corriente (por cada resistor) aplicando la ley de Ohm: I1 = V/R1 ; l2 = V/R2 Para la derivación formada por R2 en la figura anterior, la intensidad re- sultante es igual 0.002 amperios (se puede leer tomo "2 miliamperios"). CIRCUITOS CON CONDENSADORES EN PARALELO
  43. 43. unen en serie, su capacidad resultante es menor que la del condensador de menor capacitancia. Esto equivale a incrementar la separación entre las dos placas de los extremos en los que se aplica la tensión. Al disminuir la atrac- ción entre las cargas positivas y nega- tivas, en razón de la mayor separación, se hace más difícil acomodar los elec- trones que llegan a la placa que los es- tá recibiendo. Recordemos que la pla- ca positiva, cuando está bien cerca, ayuda a "jalar". La capacidad resultante se puede calcular con las mismas fórmulas da- das para el caso de resistores en para- lelo (observe que los unos y los otros se comportan de manera contraria, y por consiguiente debemos utilizar en forma trocada sus fórmulas). Por ejemplo, para el caso en que so- lamente haya dos condensadores en serie: C1 x C2 Ct = C1 + C2 Para condensadores en serie, la máxi- ma tensión aplicable entre los dos ex- tremos (sin que se presente ruptura del dieléctrico o chispa entre las pla- cas) equivale a la suma de las tensiones máximas nominales dadas por el fabri- cante para cada uno de los condensa- dores. Electrónica Fácil 145
  44. 44. CIRCUITO CERRADO Y CIRCUITO ABIERTO Se dice que un circuito está cerrado cuando la corriente puede circular de uno a otro polo de la fuente que sumi- nistra la diferencia de tensión eléc- trica. En consecuencia, se denomina circuito abierto al que no tiene con- tinuidad en los conductores. En la práctica, la función de los interrupto- res es abrir el circuito para evitar que siga pasando la corriente. CARGA Y LOAD, SIGNIFICAN LO MISMO En un circuito eléctrico se llama "carga" a la porción dedicada a la utilización práctica de la potencia de la fuente de energía (Power Suppiy). Por ejemplo, si el circuito ha sido di- señado para producir calor con la energía eléctrica, entonces la "carga" es aquella resistencia que habrá de ca- lentarse al paso de la corriente. Si se trata de un ventilador, entonces la carga será el motor eléctrico encar- gado de mover la hélice. Si lo miramos desde el punto de vis- ta del consumo de corriente para la fuente de energía (a menudo llamada también fuente de poder), entonces "carga" será todo aquello que esté conectando a los polos de tensión eléctrica. En los diagramas encontra- remos a menudo la expresión Load, que significa carga en español. Cortocircuito eléctrico. Es de supo- ner que la carga debe ofrecer cierta resistencia al flujo de la corriente, de forma tal que se limite su intensidad a márgenes que puedan ser adecuada- mente suministrados por la fuente de energía. Cuando la carga es simple- mente un conductor, de impedancia muy cercana a los cero ohmios, se dice que hay un cortocircuito. Divisor de tensión. En un circuito eléctrico se insertan resistores con el fin de limitar la intensidad de la co- rriente, o con el propósito de producir escalas de voltajes entre dos puntos determinados. Cuando hay dos o más resistores puestos en serie (en línea), y de sus uniones se toman las respectivas diferencias de potencial eléctrico con el fin de alimentar a otros circuitos secundarios, se dice que ellos están conformando un divisor de tensión. 46
  45. 45. Resistencia, Reactancia, Impedancia En un resistor común, hecho de ma- terial mal conductor de la electricidad (puede ser un compuesto a base de car- bón, o una aleación de hierro y níquel), que no tenga arrollamientos ni placas conductoras enfrentadas, la medida de la oposición al flujo eléctrico es la misma tanto para una corriente alterna como para una continua, y se le llama simplemente resistencia. Se identifica con la letra R, y su unidad de medida es el ohmio (Ω). A diferencia de los resistores, en los condensadores (también llamados ca- pacitores) y las bobinas (denominadas también inductores) se producen cam- bios en su resistencia cuando circula por ellos una corriente alterna. La medida en ohmios de esta resistencia depende de la frecuencia de la co- rriente, y se le denomina Reactancia para distinguirla de la resistencia propia del material de un resistor. El símbolo para expresar reactancia es la letra X. Se llama reactancia capacitiva (Xc) a la oposición presentada por los con- densadores, y reactancia inductiva(XL) 47 Electrónica Fácil 1
  46. 46. a la que presentan las bobinas. La magnitud de la oposición, medida en ohmios, está relacionada con la fre- cuencia de la corriente alterna. Por ejemplo, la reactancia de un conden- sador disminuye cuando sube la fre- cuencia, mientras que la reactancia de una inductancia aumenta. Cuando en un circuito eléctrico se encuentran apropiadamente dispuestas las reactancias capacitivas y las in- ductivas, sus efectos se cancelan mu- tuamente, logrando con ello circuitos resonantes a ciertas frecuencias, o consiguiendo lo que en la industria se conoce con el nombre de corrección del factor de potencia. En números posteriores de Electrónica Fácil am- pliaremos estos temas. Cuando nos referimos a la oposición total que encuentra una corriente alterna en un circuito que tiene resis- tencia y reactancias, debemos buscar un término que exprese el valor re- sultante de su suma. Este término es Impedancia, y su símbolo es la letra Z. Es bueno recordar que el valor de impedancia de un circuito dado no es un valor constante, como la resistencia, sino que depende de la frecuencia de las corrientes que ha de manejar. Cómo influye la frecuencia de la corriente alterna en la reactancia capacitiva Antes de entrar en explicaciones puramente eléctricas, relacionemos el condensador con un acordeón, que sólo suena cuando el ejecutante mueve acompasadamente los brazos en ambos sentidos: Separándolos para cargar el fuelle con aire, y acercándolos para cerrar el fuelle y botar el aire. Aunque la música parece brotar ininterrumpidamente, realmente se suspende cada vez que se alcanza la máxima elongación del fuelle (punto de saturación de carga, o aire al máximo), y cada vez que se llega al punto de máxima descarga, o aire al mínimo. 48
  47. 47. Si al acordeón le ejercemos presión en un solo sentido, solamente emite sonido por un lapso de tiempo muy breve. Si lo operamos en ambos sen- tidos, será más fuerte la intensidad so- nora entre mayor sea la frecuencia del movimiento. Asumiendo que un condensador está conectado a una fuente de corrien- te alterna, cuando los electrones cir- culan en un sentido se carga negativa- mente una de sus placas, digamos que la B, mientras la otra adquiere carga positiva (pierde electrones). Resulta evidente que la corriente de carga su- ministrada por la fuente de alimenta- ción solamente fluye durante el lapso de tiempo que tarden en salir los elec- trones libres de la placa A, y en aco- modarse los electrones de exceso en la placa B (las dos acciones se llevan a cabo simultáneamente, por lo cual po- demos suponer que los electrones de una placa están pasando a la otra). Mientras dure el proceso de carga de las placas hay circulación de elec- trones con relativa facilidad a través del circuito, lo cual nos lleva a concluir que la corriente encuentra poca resis- tencia a su paso por las placas del con- densador. Sin embargo, cuando cesa el proceso de carga se suspende la co- rriente, lo cual equivale a decir que el condensador ha llegado al punto de alta resistencia, puesto que el voltaje aplicado ya no puede sacar más elec- trones de la placa A, ni logra que los átomos del material de la placa B le reciban más electrones provisionales. Cuando los electrones invierten su sentido de circulación, entonces a la placa A le toca recibir electrones, cosa que hace con mucha facilidad puesto 49 Electrónica Fácil 1
  48. 48. que en el semiciclo anterior había que- dado con déficit de ellos. Simultánea- mente, a la placa B le corresponde en- tregar electrones, y también lo hace con poca resistencia, puesto que los tenía en exceso. Esta corriente, o in- tercambio aparente de electrones en- tre las dos placas, dura hasta que las superficies enfrentadas lleguen al pun- to de máxima carga, lo cual equivale al inicio de otro estado de elevada resis- tencia. Puesto que la reactancia capacitiva corresponde al promedio de la resis- tencia que presenta el condensador durante cada ciclo de la corriente, re- sulta evidente que la reactancia es me- nor entre más alta sea la frecuencia de la corriente alterna. Si la frecuencia es muy baja, el condensador permanece- rá un lapso relativamente largo en su punto de alta resistencia. En el ejem- plo del acordeón, una frecuencia de operación muy baja no permite que el acordeón suene con bastante in- tensidad. Incluso, hasta puede apagar- se por completo. En conclusión, los condensadores no permiten el flujo continuo de una corriente directa. Pa- ra que haya "paso" de energía es nece- sario que la corriente invierta sucesiva- mente su dirección. La inducción electromagnética Desde el punto de vista mecánico, aunque el hombre hubiese tenido mu- cha fuerza física, pocas hubieran sido sus obras monumentales si no se hubie- se descubierto el poder multiplicador de fuerza de las palancas. Pues bien, en el campo eléctrico también fue descu- bierto un fenómeno, el de la induc- ción electromagnética, gracias al cual fue posible el desarrollo de los genera- dores eléctricos de alta potencia, y la fabricación de los transformadores, verdaderas palancas para utilización en el campo eléctrico. 50

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