Electrónica fácil 1

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Electrónica fácil 1

  1. 1. electrónica fácil 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 1988ELECTRÓNICA FÁCIL fue una publicación trimestral editada e impresa en Medellín,Colombia. Actualmente sólo es posible conseguir por Internet los 40 números quefueron 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
  2. 2. CONTENIDONOCIONES 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 106DE INTERÉS GENERAL Mendeléiev y su principal descubrimiento /Sputnik 10EXPERIMENTOS 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 mos nuestras explicaciones en hechosque no sabemos electrónica. Por consi- comunes de la vida diaria.guiente, evitaremos las explicacionesacadémicas y el uso de las fórmulas Como podrás apreciar en cada unomatemáticas, las cuales no comprende- de los fascículos de Electrónica Fácil,mos la mayoría de nosotros, los que procuramos que su lectura sea amenagustamos de las cosas que podemos y de interés para los principiantes, lospracticar, tocar, ver, etc. Si bien es aficionados, los técnicos y los profe-cierto que los procesos matemáticos sionales. Es por eso que la revista tieneson indispensables para el diseño elec- temas teóricos, informativos y socia-trónico, procuraremos suministrar cir- les, además de infinidad de circuitoscuitos prácticos ensayados, y basare- 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 La versión que conocemos fuéleer algo que no entendemos, o que editada por Editorial Diana, cuyanos cuesta dificultad comprender, dirección es: Roberto Gayol 1219,pues nos parece que hemos llegado ya Esq. Tlacoquemécatl, México 12, D.F.al final del camino, y pensamos que, sino entendemos esto, mucho menos Electricidad Básica y Electrónica,entenderemos lo que sigue. Puesto Serie Uno Siete, son también dos bue-que nosotros también hemos pasado nas colecciones para la biblioteca depor tal situación, aconsejamos hacer todo colegio técnico.inicialmente una lectura rápida delconjunto del tema, tomando en cuen-ta solamente los títulos y la ¡dea bá- Electricidad Básica consta de 5 vo-sica de los párrafos. Después, si nos lúmenes y fue escrita originalmente eninteresa o lo necesitamos para com- 1954 para el ejército de los Estadosprender algo más complejo, releemos Unidos, por la firma Van Valkenburgh,el artículo y tratamos de aprender ca- Nooger and Neville, de New York. Ac-da uno de los términos allí expresados. tualmente se consiguen ediciones re- cientes en Español, de las cuales cono- cemos la de la Compañía Editorial En Electrónica Fácil procuramos Continental, Calz. de Tlalpan Númeroque ninguna de las lecciones sea im- 4620, México 22, D.F.prescindible para el entendimientode los fascículos siguientes. Es porello que con alguna frecuencia, al Electrónica Uno Siete es una exce-tratar temas un poco complejos, lente serie en siete tomos de aproxi-repasamos los conceptos básicos que madamente 140 páginas cada uno,pueden ser de utilidad para el prin- donde se explican de manera muy cla-cipiante. ra todas las señales electrónicas, los tipos de modulación, semiconducto- Para aquellos que desean conseguir res, amplificadores, osciladores, ante-un texto que explique de manera clara nas, líneas de transmisión, etc. La ver-y con ejemplos sencillos toda la teoría sión original fué editada por Haydenbásica sobre electricidad y electrónica, Book Company, y una de las versio-recomendamos el libro "Introducción nes en español fue hecha en 1976 pora la Electricidad y a la Electrónica", Editorial Limusa, Arcos de Belén Nú-traducido al español por José Meza mero 75, México 1, D.F.Nieto del original en inglés escrito porOrla E. Loper v Arthur F. Ahr de NewYork. 6
  5. 5. Origen de la electricidad Aurelio Mejía M. No podemos afirmar a ciencia cierta Posteriormente se descubrió que a partir de qué momento el hombre muchos materiales diferentes al elek- descubrió el fenómeno al que poste- tron también adquirían el poder de riormente habríamos de llamar electri- atraer diversas partículas livianas, talescidad, pero existen evidencias de que como trocitos de papel, de corcho, 600 años antes de Cristo fue observa- etc., al ser sometidas a frotamiento do dicho fenómeno por un filósofo con pieles, sedas, vidrio, etc. griego, Thales de Mileto, quien descu- brió un misterioso poder de atracción Por simple relación con el fenóme-y de repulsión cuando frotaba un trozo no del elektron, se adoptó el términode ámbar amarillo con una piel o una "electrizado" para indicar que un cuer-tela. Esta sustancia resinosa, denomi- po cualquiera había adquirido la mis-nada ELEKTRON en griego, dio ori- ma y extraña propiedad de aquel. Hoygen al nombre de la partícula atómica tú puedes electrizar el peine y atraerELECTRON, de la cual se deriva el hacia éste pequeños trozos de papel li-término ELECTRICIDAD. 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, Figura 1 hielo, río, mar, etc., indiscutiblemente 7 Electrónica Fácil 1
  6. 6. nos estamos refiriendo al agua en una mentos básicos conocidos, en la natu-cualquiera de sus manifestaciones o es- raleza se forman todos los materiales otados. Pues bien, cuando escuchemos compuestos que vemos, olemos y pal-las palabras electrostática, electrodiná- pamos, tales como el aire, la sal de co-mica, corrientes alternas, piezoelectri- cina, la madera, el agua, la arena, loscidad, etc., se están refiriendo a deter- huesos, la carne, los jabones, los áci-minados comportamientos de los elec- dos, los plásticos, etc.trones en el espacio, en un material,en un medio, etc. En otras palabras, si dividimos por la mitad un trozo de cualquier mate- Son electricidad los rayos de las tor- rial o compuesto, y sucesivamente di-mentas, y las chispas que suenan cuan- vidimos a su vez una de las mitades re-do nos quitamos en la noche ciertos sultantes, llegará el momento en el cualvestidos de material sintético; generan obtengamos una molécula, o sea la mí-electricidad los peces llamados angui- nima parte en que se puede dividir unlas, y los cerebros nuestros para orde- compuesto químico y poder seguirnar al cuerpo sus movimientos; se pro- conservando todavía sus propiedadesduce electricidad cuando se sumergen físicas y químicas originales, tales co-dos metales diferentes en una solución mo el color, sabor, olor, etc.ácida o alcalina, fenómeno que tam-bién produce la corrosión de los empa- Si nos aguijonea la curiosidad, y re-tes de conductores eléctricos diferen- solvemos dividir la molécula, obten-tes cuando se les deja expuestos a la ac- dremos dos o más elementos con pro-ción de la lluvia y los ácidos produci- piedades usualmente muy distintas.dos por los vapores que escapan de los Aunque en la naturaleza existen milla-motores de los vehículos; se produce res de moléculas, solamente se cono-electricidad en ciertas sustancias cuan- cen unos 105 elementos, naturales ydo reciben luz, por lo cual se dice artificiales. Cuando un material tieneque tienen efecto fotovoltáico; tam- todas sus moléculas formadas de unbién, se genera electricidad cuando mismo elemento, se dice que es puro.un conductor es sometido a la acción Tal es el caso del cobre, el oro, el alu-de las líneas de fuerza de un campo minio, el manganeso, el helio, el oxí-magnético de intensidad variable, o geno, el sodio, el nitrógeno, etc. y loscuando se hace presión sobre las caras demás elementos químicos que apare-de ciertos cristales, efecto más conoci- cen en la tabla periódica ideada por eldo como piezoelectricidad. ruso Dmitri Mendeléiev (1834-1907). Todos los átomos de un mismo ele- mento son teóricamente iguales, aun- ESTRUCTURA BÁSICA DE LA que pueden tener pequeñas diferencias MATERIA en cuanto a la cantidad de electrones se refiere. Así como los diversos colores y ma-tices se pueden obtener con la mezcla Un ejemplo típico para ¡lustrar laapropiada de unos pocos colores deno- diferencia entre molécula y elemento,minados primarios (usualmente amari- es la sal común de cocina. Como tal,llo-azul-rojo para pinturas, y verde- es parte indispensable para la prepara-azul-rojo para luces), así también, mez- ción de muchos alimentos, y está cons-clando apropiadamente unos 105 ele- tituida por moléculas de color blanco. 8
  7. 7. (Tabla tomada del Diccionario Figura 2 LAROUSSE)unidas formando cristales. Sin embar- vianas girando como trompos -Spin- ygo, cada molécula de la sal está inte- dando vueltas alrededor de un núcleograda por un átomo del elemento So- grande y pesado, tal como lo hacendio y por un átomo del elemento Clo- los planetas alrededor del sol), proto-ro. El Sodio (Na) es un metal de color nes (esferas grandes ubicadas en el nú-gris, altamente mortal, pues reacciona cleo del átomo; pesadas y de propieda-violentamente al contacto con el agua. des eléctricas contrarias a las de losEl Cloro, por su parte, es un gas de electrones), neutrones (también en elcolor verdoso, utilizado en los acue- núcleo, pero sin carga eléctrica cono-ductos para matar los microbios del cida), neutrinos (partículas muy livia-agua. nas y sin carga), mesones (partículas radioactivas con una masa 200 ó 300 Puesto que en la antigüedad se con- veces mayor que la del electrón, perosideraba que ya no podía haber más con una carga igual a la del mismo, ydivisión a partir de allí, se le dio el otras más que no nos interesa conocernombre de átomo a cada uno de los por ahora.elementos que conforman la molécu-la, pues esta palabra significaba "indi- Las partículas del núcleo están liga-visible" en su idioma. Con los instru- das entre sí por una gran cantidad dementos de la ciencia actual se ha com- energía, parte de la cual se libera cuan-probado que el átomo es divisible, y do se produce alguna división (fisión)que está formado por varias partícu- o agregado de partículas (fusión), ylas muy diferentes entre sí, tales como por su procedencia recibe el nombreelectrones (esferas muy pequeñas y li- de energía atómica. 9 Electrónica Fácil 1
  8. 8. Electrones 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 Átomo Figura 3 corresponda el número de electrones con la cantidad de protones del núcleo. La tabla periódica de Mendeléiev Cuando tal cosa ocurre, se dice que eltiene organizados los elementos quí- átomo está eléctricamente cargado, enmicos en forma ascendente según su sentido positivo cuando hay faltante,masa atómica, correspondiendo su nú- y en sentido negativo cuando hay ex-mero de orden a la cantidad de proto- 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 Á r t i c o , 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. 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 h o n r a d o ! " Todos los autores de memorias es- criben que con suma facilidad comen- zaba a hablar a gritos, aunque en esen-Valentín RICH cia era una buena persona, solo que te-De la Revista JIMIA I ZHIZN nía un sistema nervioso extremada-Artículo reproducido de mente sensible.SPUTNIK (Selecciones de la prensasoviética). Diciembre 1984 No se exceptúa que los caracteres congénitos de su personalidad se de- Los años 70 del siglo XIX tocaban a ban en parte a que era el último vásta-su fin. Para ese entonces, la humani- go de una familia de 17 hijos. Hoy díadad ya contaba con tres obras grandio- se cree que la posibilidad de mutacio-sas -cual puentes sobre un profundo nes en la descendencia aumenta en re-abismo- acerca del pensamiento, la so- lación con la edad de los padres.ciedad y la naturaleza: La ciencia de lalógica, de Jorge Hegel (1770-1831), Elcapital, de Carlos Marx (1818-1883) y Durante toda su vida siempre hizoel El origen de las especies por medio las cosas -tanto simples como impor-de la selección natural de Carlos Darwin tantes- a su manera. Claro está que ir(1809-1882). Faltaba descubrir los por un camino conocido resulta másmisterios de la substancia. fácil, pero la química era algo nuevo, joven y en la juventud todo envejece A los 33 años. Dmitri Mendeléiev rápido. Por ejemplo, como no pudofue designado profesor de química ge- encontrar nada de valor científico enneral en la Universidad de San Peters- los libros sobre química orgánica edi-burgo*. Muchos decían que este joven tados en Rusia y Europa escribió - ende melena larga y vaporosa alrededor dos meses de apasionado trabajo dia-de su amplia y blanca frente, expresi- rio (12 página en 24 horas)-, un cursovo y vivo, de penetrantes ojos azules universitario de 30 pliegos basado ense parecía a Garibaldi. Durante las principios totalmente nuevos. No de-conversaciones siempre gesticulaba. seaba condicionar el orden del día aLos amplios, rápidos y nerviosos mo- semejante bagatela como la rotaciónvimientos denunciaban su estado de de la Tierra alrededor de su eje; por eso, trabajaba treinta o cuarenta horas* Actualmente Leningrado seguidas. Y podía dormir otras tantas. 11 Electrónica Fácil 1
  10. 10. Desde sus años estudiantiles, Men- Mendeléiev creía en la intuición y ladeléiev buscaba la relación entre los utilizaba conscientemente en diferen-elementos. Hacía ya 15 años que acu- tes aspectos de su vida. "Cuando de-mulaba materiales, hechos, conocimien- bía resolver un problema difícil e im-tos. Pensaba en cómo colocar en un portante -recuerda su esposa Anna- asistema único las islas y los archipiéla- paso muy rápido y ligero venía a don-gos químicos. Últimamente, por mu- de yo estaba, me planteaba el proble-chas y diferentes cosas que tuviera que ma y pedía una respuesta inmediata.hacer, nunca dejaba de pensar en ello. No pienses, no pienses, repetía una y otra vez. Mi respuesta era decisiva..." Es extraordinario combinar sus idea-les con el natural desarrollo de la vida Para aquel entonces, de los 92 ele-práctica. Muchos lo que hacen es sim- mentos que se encuentran en la natu-plificar su vida al máximo para con- raleza, se conocían tan solo 62. Ade-centrarse totalmente en lo ideal y es- más, al didimio lo consideraban unapiritual. Dmitri Ivánovich tenía tiem- substancia simple, cuando en realidadpo para todo: tanto para su trabajo en es una mezcla de dos elementos deno-la mejor cátedra de química de Rusia, minados más tarde neodimio y praseo-como para su numerosa familia y su dimio. Los pesos atómicos de por lohacienda con campos experimentales, menos 10 elementos habían sido deter-unos de los primeros en Rusia. (¿Aca- minados aún con graves errores debidoso no se podría con la ayuda de la quí- a que los químicos conocían poco es-mica hacer retroceder el agotamiento tas substancias. Así, pues, la personade la tierra?). que tenía pensado disponer correcta- mente los elementos químicos en co- rrespondencia con sus pesos atómicos De la ciencia uno se puede ocupar contaba sólo con el 57% de las 92 s u s -en cualquier lugar. La ciencia es una tancias necesarias.amante que lo abraza en todos ladoscon tal de que no la apartemos... Men- 17 de febrero de 1869, Mendeléievdeléiev. debía partir de San Pertersburgo a la provincia de Tver para examinar las Según Mendeléiev, 1860 -año en que queserías y dar sus recomendacionestuvo lugar el congreso de químicos en con respecto a cómo modernizarlas. ElKarlsruhe-, fue decisivo en el desarro- tren partía al atardecer.llo de sus reflexiones sobre la ley pe-riódica. En la historia de la ciencia son muy raros los casos en que quedan huellas palpables del pensamiento que condu- "La idea sobre la periodicidad de jo a un valioso descubrimiento.las propiedades de los elementos au-mentando el peso atómico ya enton-ces, en esencia se me presentaba inte- Este es uno de esos casos: la notariormente", escribía. Pero con la con- que recibió Mendeléiev en la brumosavicción intuitiva no se convence a los mañana del 17 de febrero antes del de-otros, por mucho que con ella haya sayuno; las huellas de la taza dejadascomenzado la historia de numerosos en ella y el escrito de la idea que pasódescubrimientos. por su mente: unos símbolos quími- 12
  11. 11. cos, unas cifras, una escritura rápida, tarjetas, abrió su libro en las páginasunas correcciones... Caos... necesarias y comenzó simbólicamente a jugar a los naipes. Luego tomó una hoja de papel enblanco -que se conserva hasta hoy día- ¡No es difícil imaginar con qué ale-y bosquejó en ella una debajo de otra gría sacaba este extraordinario solita-las filas de símbolos y pesos atómicos. rio! ¡Con qué rapidez ponía a los "seis", los "siete", las "damas" y los Una idea adelantaba a la otra; la "reyes", es decir, los sencillos azufre emano no alcanzaba a la ¡dea; los nú- hidrógeno, la plata preciosa y el oromeros se interponían; la armonía re- brillante! Siempre los percibió casitrocedía ante el caos de las correccio- igual que a las personas.nes. ¡Evidentemente el solitario había Cogió otra hoja y comenzó a copiar salido! Las primeras seis filas se forma-lo escrito, haciendo nuevos cálculos y ron sin escándalos y en el siguiente or-transposiciones. Esta hoja también se den: los alcalinos, los halógenos, elconvirtió en un jeroglífico. ¡Así no oxígeno y sus parientes, la familia delsaldría nada! nitrógeno y el fósforo, la del carbono y el estaño... Entre el silicio y el esta- Las agujas del reloj seguían su paso ño quedaba un lugar vacío: el naipesin detenerse. En la tarde debía partir. con peso atómico 70 no se hallaba enYa había encontrado lo principal. Pe- el juego. ¿Y quién dijo que nuestroro a todo esto debía darle una forma juego está completo? Cada año alguienlógica y clara. Imagínese como él, de- descubre un nuevo elemento.sesperado y furioso, a paso ligero y rá-pido recorría el gabinete en busca del Había también elementos "testaru-método apropiado para componer lo dos" que confundían su " p a l o " quí-antes posible el maldito sistema. mico o les era imposible encontrar su lugar en la fila. Tampoco sabía dónde El pupitre. El mechero de gas. El di- poner a los elementos poco estudia-ván. Los armarios con libros. Las ma- dos: el rodio, el rutenio, el tantalio, eltraces con retortas. La balanza. Una torio, el circonio, el lantano.pila de libros de la primera edición desu famosa obra Fundamentos de la ... Y de nuevo cogía la pluma paraquímica (la segunda ya estaba en im- escribir en la hoja columnas de cifras.prenta, solo faltaba que su autor inser- Una y otra vez dejaba de anotar, per-tara la solución definitiva del proble- plejo, armaba un cigarrillo y fumabama) con olor a cola y pintura de tipo- hasta que se le nublaba la vista...grafía. Una resma de papel. El baúl yalisto para el viaje. La ropa sin acomo- Al final, sus ojos se pegaron, se tiródar. Un tomo de Julio Verne. Una ba- en el diván y se durmió como un tron-raja, para sacar solitarios, que siempre co. Esto no era raro en él. Pero estallevaba consigo durante los viajes. Un vez durmió poco, quizá unas horas opaquete de tarjetas de visita. quizá unos minutos. No quedó ningún testimonio al respecto. Se despertó " ¡Y por fin sus ojos hallaron lo después de ver, en sueños, a su solita-que necesitaba!... Cogió una pila de rio hecho, no como lo había dejado 13 Electrónica Fácil 1
  12. 12. sobre la mesa, sino en forma lógica. En en su peso atómico y propiedades quí-seguida se levantó y comenzó a consti- micas- en ruso y francés. Puso la fe-tuir una nueva tabla que se distinguía cha: 17 de febrero de 1869...de la primera en lo siguiente: primero,los elementos se disponían de menor a El Experimento estaba lejos de sermayor (y no en el orden inverso); se- exacto. De los 66 elementos puestosgundo, en todos los lugares vacíos po- en filas solo 48 estaban colocados co-nía signos de interrogación y cifras. rrectamente. Si se agrega a estos 26 elementos más, desconocidos en aque- Durante mucho tiempo el cuento llos tiempos, la relación entre lo correc-de Dmitri Mendeléiev acerca de la ta- to e incorrecto era de 48:44. Los cons-bla vista en sueños lo tomaron como tructores saben que para la primeraanécdota. Encontrar algo racional du- muestra de una nueva máquina esta re-rante el sueño se consideraba supersti- lación es natural. Pero si así funciona,cioso. Hoy día, la ciencia no pone ba- ya es una excepción. En el mejor derreras entre los procesos que se reali- los casos los primeros aviones saltabanzan en la conciencia y la subconcien- un poco. Las primeras lámparas incan-cia. Tampoco consideran sobrenatural descentes se quemaban enseguida.que el cuadro que no se formó duran-te la reflexión conciente se haya cons- ¡Pero el primer modelo experimen-tituido en la subconciencia. tal de la tabla periódica de los elemen- tos funcionaba! El puente tendido a Mendeléiev hizo algunas correccio- través del abismo de lo desconocidones en la tabla, tachó un elemento su- aún se balanceaba bajo los pies, dejan-perpuesto entre el nitrógeno y el litio. do al descubierto numerosos agujeros.Escribió su título -Experimento para Pero los valientes ya podían cruzar elsistematizar los elementos basándose abismo por él. Los electrones, portadores de carga negativa Aurelio Mejía M. Por denominación puramente con- Así como los polos de igual signovencional y arbitraria, de manera simi- de un ¡man se rechazan, y los contra-lar a como se denominó polo sur y po- rios se atraen, así también los electro-lo norte a los extremos de atracción nes se repelen entre sí, pero son atraí-de los ¡manes, se llamó carga negativa dos por los protones hacia el núcleo,a la propiedad del electrón, y carga evitando que sean lanzados al espaciopositiva a la del protón. en virtud de la fuerza centrífuga. 14
  13. 13. 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 Debido a los patrones de fuerzas re- existen los electrones, partículas ató-sultantes de la repulsión mutua entre micas pequeñísimas dotadas de movi-los electrones (por tener cargas negati- miento rotatorio a manera de trom-vas iguales) y de su atracción hacia el pos (efecto conocido como "Spin") ynúcleo (por acción de los protones, con de movimiento de traslación alrededorcarga positiva), los electrones se distri- de un núcleo. También hemos dichobuyen en las órbitas formando capas que a su poder de atracción y de re-cada vez más alejadas del centro. Re- pulsión se le ha denominado cargasulta interesante anotar que cada capa, eléctrica negativa, y que es contraria ysegún su número de orden a partir de de igual intensidad a la carga de losla más cercana al núcleo, no puede al- protones, razón por la cual tienden abergar más de un número determinado cancelarse mutuamente sus efectos.de electrones, ni tampoco puede tener Dicho de otra manera, el átomo semás de 8 electrones en su órbita o ca- considera eléctricamente neutro cuan-pa exterior. do sus cargas negativas (electrones) son ¡guales a las cargas positivas (pro- El patrón de distribución de los elec- tones).trones en las capas es igual para todoslos elementos, diferenciándose uno de La tendencia de los átomos a tenerotro solamente en la cantidad de capas 8 electrones en su órbita externa, de-y el total de electrones. Así, por ejem- nominada capa de valencia, es lo queplo, en la primera capa u órbita no se los hace unirse y formar las moléculas.admiten más de 2 electrones. En la se- De esta manera comparten sus electro-gunda nunca pueden haber más de 8, nes externos, los cuales se muevenni en la tercera más de 18. En la cuar- ahora formando una órbita comúnta y en la quinta solo se reciben hasta que envuelve al conjunto. Según la32, y en la sexta no se permiten más configuración de esta órbita se for-de 18. man las uniones amorfas y las uniones 15 Electrónica Fácil 1
  14. 14. cristalinas. La fuerza del ligamento re- tro en el cual se anuncia una gran pelí-cibe el nombre de "cohesión molecu- cula. Al comienzo hay muchas sillaslar". vacías, razón por la cual es positivo que usted puede conseguir boleto para Las moléculas de estructura cristali- entrar. Llegado cierto momento se co-na (de forma simétrica, a manera de pa la capacidad de la silletería y todascubos, polígonos, etc.) presentan pro- las demás personas que siguen entran-piedades eléctricas muy utilizadas en do se tienen que estar de pie. Por lola fabricación de cristales para circuitos visto, el teatro está sobrecargado nega-osciladores, en las cápsulas fonocapto- tivamente, y permanece así hasta queras de los tocadiscos, en los dispositi- se termine la película, instante en elvos a base de ondas acústicas superfi- cual se produce un tumulto que cami-ciales (tales como los filtros SAW usa- na rápido hacia las puertas de salida.dos en los televisores a color), en algu- Los cuerpos cargados con electricidadnos tipos de micrófonos y de parlan- estática también la pueden descargartes, etc. en un momento dado, y producir tem- poralmente una corriente o flujo de electrones. ELECTRICIDAD DINÁMICA, ELECTRICIDAD ESTÁTICA BUENOS CONDUCTORES ELÉCTRICOS Si hacemos mover las partículas decarga a lo largo de un medio conduc- Los átomos que solamente tienentor, estamos produciendo lo que se co- un electrón en su órbita externa tien-noce como "corriente eléctrica". Po- den a soltarlo con facilidad. Además,demos imaginar que la corriente eléc- y puesto que tienen 7 espacios dispo-trica es algo así como una multitud de nibles, pueden alojar temporalmentepersonas visitando una exposición de otros electrones libres que provenganobras de arte en un museo. Hacen una de átomos vecinos. Por su gran capaci-línea, avanzan, se detienen y miran, dad para ceder y recibir electrones secontinúan caminando y salen por la les denomina buenos conductores depuerta al final de la galería. Sí, los electricidad, tanto dinámica como es-electrones también pueden avanzar en tática.forma continua, o detenerse a interva-los denominados pulsos, o alternar su Entre el grupo de los buenos conduc-sentido (devolverse). tores están la plata (Ag), el cobre (Cu), el oro (Au) y el aluminio (Al). Con tales También podemos quitar o agregar materiales se fabrican las líneas demuchos electrones a un trozo de ma- conducción (alambres) y también lasterial, para romper el equilibrio entre placas para los condensadores quelas cargas positivas y negativas de los habrán de almacenar energía en formaátomos, y al hacerlo estamos generan- de electricidad estática. Por tener el orodo lo que se denomina electricidad es- muchas capas orbitales y su electróntática. externo muy lejos del núcleo que lo atrae, y por ser inmune a la oxidación, se le Podemos entender más fácilmente emplea en la fabricación de circuitoslo anterior si nos imaginamos un tea- integrados. 16
  15. 15. CONDUCCIÓN IÓNICA la base de la galvanoplastia, un méto- do electroquímico para hacer recubri- Hasta ahora hemos definido la co- mientos metálicos en piezas, tal comorriente eléctrica como un flujo de elec- el cobreado, plateado, niquelado, cro-trones continuo (constante), intermi- mado, etc.tente (a pulsos) o alterno (que cambiade sentido a intervalos regulares). Sin CAPA DE VALENCIA Y LOSembargo, existen casos especiales en TIPOS DE UNIONque son los átomos los que se despla-zan de un lugar a otro llevando su car- Los electrones que se ubican en laga eléctrica. Esta situación se presenta capa externa del átomo, llamada capacuando el medio conductor es un gas de valencia, reciben el nombre de elec-o un líquido, y a tales átomos se les trones de valencia. Su nombre provie-denomina iones. ne del griego, y significa "enganche". Con esto se quiere dar a entender que Por lo común, los átomos compo- los electrones de valencia son los quenen moléculas eléctricamente neutras, permiten a los átomos unirse mutua-con igual número de electrones que de mente. Aunque no lo necesitamos porprotones. Sin embargo, por acciones ahora para nuestro estudio, por lo me-químicas y eléctricas externas se pue- nos recordemos que los átomos pue-de romper dicha molécula, y obtener den formar uniones metálicas, iónicasasí una parte con más electrones que y covalentes.protones, llamada ion negativo. Al res-to se le denomina ion positivo, por La unión metálica es la que se llevaquedar con más protones que electro- a cabo entre átomos de elementos bue-nes. nos conductores de la electricidad, aquellos con solo un electrón en la ca- A manera de ejemplo, un ion es al- pa de valencia, y se caracteriza por ungo así como un gran corcho con un movimiento desordenado y continuopequeño imán en su interior. Si lo po- de sus electrones de valencia, pasandonemos a flotar en un estanque con de un átomo al siguiente para llenaragua, se orienta hacia los polos magné- momentáneamente las capas exterio-ticos terrestres cual si fuese una brúju- res de todos.la; o podemos hacerlo alejar o acercarcuando le aproximemos los polos nor- La unión iónica o electrovalente este o sur de un imán externo. Pues bien, la que se forma cuando se asocian áto-de manera similar se comportan los mos de elementos diferentes, de formaátomos cuando les falta o llevan exce- tal que los unos ceden electrones deso de electrones (digamos que algo así valencia a los otros, formándose ionescomo pequeñísimos polos negativos). positivos y negativos, los cuales se jun-Con la aplicación de dos conductores tan debido a la atracción entre sus car-eléctricos a los dos extremos de una gas de signo contrario.vasija que contenga los iones, es posi-ble hacer que se alejen los unos y se La unión covalente tiene lugar entreacerquen los otros, siguiendo aquella átomos de elementos diferentes, peroley que dice: Polos o signos iguales se en este caso, a diferencia de la uniónrepelen; polos o signos contrarios se iónica, los átomos se resisten a ceder oatraen. Esta propiedad de los iones es a tomar electrones de valencia, razón 17 Electrónica Fácil 1
  16. 16. por la cual los comparten mutuamente Los átomos que tienen 7 electronespara completar sus respectivas capas. en su última capa también presentanPor ejemplo, en el caso de dos átomos alta resistencia a la formación de unque tienen cada uno de a cuatro elec- flujo electrónico, pues todos ellos es-trones externos, tal como ocurre con peran capturar de a un electrón parael germanio y el silicio, entonces cada completar los 8 que requiere la capaátomo deja que uno de sus electrones de valencia. Entre los elementos de es-sea alternativamente compartido con te grupo están el flúor, cloro, bromo,el otro. En otras palabras, cada átomo yodo y astatino.conserva tres electrones en su propiaórbita, mientras los dos electrones que En la práctica, los aislantes utiliza-hacen el enlace pasan alternadamente dos para interrumpir u oponer resis-de una a otra capa de valencia. tencia al paso de una corriente eléctri- ca se obtienen a base de compuestos, ELEMENTOS AISLANTES con moléculas que no tengan tenden- cia a liberar o recibir electrones libres. Un átomo con ocho electrones devalencia es completamente estable, y ELEMENTOSresistirá casi cualquier intento de qui- SEMICONDUCTOREStarle un electrón. Puesto que tampocoreciben electrones libres, no permiten Siguiendo el razonamiento anterior,la formación de corrientes eléctricas. es fácil deducir que los átomos conSe dice que son los mejores aislantes, dos electrones de valencia no son tany dada su alta resistencia a los cambios buenos conductores como aquellosen la capa de valencia, hasta hace muy que solo tienen uno, pero si permitenpoco tiempo se creía que no se com- el movimiento de electrones más fácil-binaban con ningún otro elemento pa- mente que los átomos con tres electro-ra formar compuestos, por lo cual se nes externos. De manera similar, los delos llamó elementos inertes o nobles. seis son menos aislantes que los de sie-A esta clase pertenecen los gases helio, te, pero más que los de cinco.neón, argón, criptón, xenón y radón. 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- Figura 5 mos diferentes que produzcan un ex- ceso o un déficit de electrones en las 18
  17. 17. uniones. Puesto que estos materiales de este tipo predominan las cargas po-agregados tienden a dañar o ensuciar la sitivas (también denominados porta-estructura cristalina (unión covalente o dores positivos) sobre el número dede par electrónico) del silicio o el electrones, a tal semiconductor se legermanio puros, se les denomina im- llama tipo p.purezas, o elementos dopantes. Cuando los átomos dopantes tienen Cuando el átomo utilizado como de a cinco electrones en la capa exter-impureza tiene solamente tres electro- na, queda sobrando un electrón al hacernes de valencia forma una unión de el enlace con los átomos del materialsiete con el elemento semiconductor, semiconductor. Estos electrones libresrazón por la cual se dice que ha queda- extra aportan al semiconductor undo un hueco en la retícula o red crista- número mayor de electrones de los quelina de los enlaces. Las impurezas tri- tendría normalmente, por lo cual recibevalentes más comunes son el indio, el el nombre de tipo n. Las impurezasgalio y el boro. Puesto que en un semi- pentavalentes más utilizadas son elconductor inyectado con impurezas 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 CORRIENTEver, tocar ni percibir la energía eléctri-ca como tal, debemos estudiarla con Cuando el agua corre a través de unbase en sus efectos, mensurables por caño, tenemos lo que se llama un flujomedio de instrumentos que indican el o corriente de agua. Del mismo modo,grado de su acción. cuando la electricidad fluye a través de un conductor o alambre, tenemos una Entender el comportamiento de la corriente de electricidad. El caudal deelectricidad nos resulta fácil si pone- una corriente de agua puede ser indi-mos atención a la figura 6, debido a cado en litros por segundo; la intensi-que existe una gran semejanza entre su dad de una corriente eléctrica se ex-forma de actuar y las características presa en culombios por segundo. Se de-de los líquidos. Su flujo se parece al nomina un Amperio a una corrientedel agua, y de manera similar tiende constante de un culombio por segun-a llenar cada espacio que encuentre do, y su nombre fue dado en honor aldisponible. Así como el agua puede matemático y científico francés Andrésser bombeada para producir una co- María Ampère (1775-1836), quienrriente a través de una red de tuberías ideó la electrodinámica e inventó elo caños, así también los electrones de electroimán y el telégrafo.un alambre pueden ser empujadosa través de un circuito o red de con-ductores, por medio de una batería RESISTENCIAo un generador apropiado. De mane-ra similar a como el agua, por acción Por experiencia sabemos lo difícilde la fuerza de gravedad, busca tener que resulta respirar cuando tenemosel mismo nivel en toda la superficie del tapada una de las dos fosas nasales, yarecipiente, así también los electrones que nuestros pulmones deben aumen-tienden a alcanzar la misma densidad a tar la presión para lograr inhalar o ex-través de un circuito, por acción de las pulsar el volumen de aire que el orga-repulsiones mutuas de sus cargas nega- nismo requiere. Similarmente, un cañotivas. ofrece una cierta resistencia al paso del agua. Cuanto menor sea su diámetro, o mayor sea la longitud, más grande será UNIDAD DE CANTIDAD la resistencia al flujo. ELÉCTRICA La unidad de cantidad de electrici- También los conductores eléctricosdad, o carga eléctrica, es el Culombio. presentan resistencia al paso de la co-Representa una cantidad definida de rriente eléctrica a través de ellos; cuan-energía eléctrica, del mismo modo en to más reducido sea el calibre o sec-que un litro representa una cantidad ción transversal, y más largo el alam-determinada de agua. Un culombio bre, mayor será la resistencia. En estosequivale, aproximadamente, a 6 280 dos aspectos, la resistencia de un caño000 000 000 000 000 electrones libres. de agua y la de un conductor eléctricoQuímicamente hablando, un culombio son similares. Una manera fácil de ex-es la cantidad de electricidad requeri- perimentar esto, es tratar de respirar ada para ocasionar, en una solución, la través de mangueras que tengan dife-precipitación de 0,00111800 gramos rente largo y diámetro. Indudablemen-de plata metálica. te, la menor resistencia al paso del aire 20
  19. 19. la encontraremos en la manguera más conductores eléctricos. Existen otrosancha y en la más corta. metales que ofrecen menor resistencia, tal como el oro y la plata, pero su alto La resistencia eléctrica, sin embar- costo hace que se empleen solamentego, involucra también otras propieda- en aplicaciones especiales. En los cir-des del conductor: su temperatura y cuitos electrónicos se utiliza muy asu material. Hemos explicado que, en menudo un dispositivo llamado resis-el caso de los átomos de un buen con- tor, el cual se puede conseguir con va-ductor, es fácil sacarles un electrón de lores definidos de resistencia eléctrica,sus órbitas de valencia, lo cual equiva- con su magnitud especificada en elle a decir que se requiere poca energía cuerpo por medio de bandas de color,para hacerlo. De hecho, se requiere o con caracteres siguiendo un códigomayor energía para liberar un electrón internacional. La unidad de resistenciade un átomo aislante. Cuando se trata eléctrica se llama Ohmio, y se expresade los semiconductores, se requiere con el símbolo W.menos energía que en el caso de losaislantes, pero más que en el de los Un Ohmio es la resistencia que tie-conductores. ne un conductor, cuando, al aplicar una tensión eléctrica de un Voltio en- Algunos materiales, como el carbón tre sus extremos, se produce una co-y las soluciones electrolíticas, dismi- rriente de un Amperio.nuyen su resistencia eléctrica a medidaque la temperatura aumenta. Otros,por el contrario, mejoran su enlace VOLTAJEmolecular y aumentan la resistencia alsubir la temperatura. En los circuitos Para ocasionar el flujo de agua a tra-electrónicos se necesita a veces una de vés de una cañería se necesita una de-estas dos características, y para obte- terminada presión, ya sea la suminis-nerla se utiliza un dispositivo denomi- trada por una bomba, o por la diferen-nado termistor. Cuando su resistencia cia de niveles entre la superficie delaumenta con la temperatura, se dice agua y el orificio de salida.que es de coeficiente positivo. En casocontrario, su coeficiente será negativo. Como se puede ver en la figura 7, laEn los metales buenos conductores, tal presión que ejerce el líquido sobre lacomo el cobre y el aluminio, es despre- válvula de salida depende de la cargaciable el efecto de la temperatura so- hidrostática (es decir, la altura de labre su resistencia. columna de agua), y se la expresa ge- neralmente en "metros de agua". De manera similar, se requiere una deter- En cuanto a la resistencia depen- minada presión eléctrica para enviardiente del material, esta se explica en una corriente de electricidad a travésrazón de la mayor o menor energía re- de un conductor. Esta presión eléctri-querida para liberar los electrones ex- ca se denomina Fuerza Electromotrizternos de su banda u órbita. El cobre, (fem) o voltaje. La unidad correspon-por ejemplo, debido a que tiene sola- diente se llama Voltio en honor del fí-mente un electrón de valencia, ubica- sico italiano Alejandro Volta (1745-do en la cuarta capa y lejos de la atrac- 1827), inventor de la pila eléctrica queción del núcleo, es uno de los mejores lleva su nombre. 21 Electrónica Fácil 1
  20. 20. Un Voltio es la presión requerida A mayor diferencia entre los nivelespara causar una corriente de un culom- superior e inferior, mayor será la pre-bio por segundo (un Amperio) a través sión que empuja el agua a través delde un conductor que ofrece una resis- canal, aumentando así el volumen detencia de un Ohmio. galones por minuto. Si ponemos más canales en serie, se aumenta la resisten- Según el ejemplo de la figura 6, de- cia y disminuye el nivel del agua en elbido a que el canal presenta resistencia punto de succión. En la práctica, des-al flujo, el agua demora un poco en ha- de el punto de vista eléctrico, se intro-cer el recorrido entre la salida del grifo ducen ciertas resistencias a un circuitoy la boca del tubo de succión, presen- con el fin de disminuir ("tumbar") eltando, en consecuencia, diferencias de voltaje en un punto específico.nivel entre dos puntos cualquiera, sien-do mayor la diferencia de alturas en el En términos eléctricos, el bombeositio de colocación de la bomba. de electrones de un extremo a otro de 22
  21. 21. un circuito se puede hacer de diversas Fuerza electromotrizmaneras, ya sea utilizando una batería Amperios de (Voltios)o un generador de corriente, acciona- corriente = ——————————do por una caída de agua o por un Resistencia en Ohmiosmolino de viento, etc. La diferencia de Matemáticamente se puede deduciraltura entre los niveles del líquido del que E = IR (para conocer el voltaje,ejemplo anterior equivale a la diferen- basta con multiplicar la corriente encia de potencial (voltaje) entre dos amperios por la resistencia en ohmios).puntos cualquiera de un circuito o La resistencia, a su vez, se puede obte-conductor eléctrico. El voltaje será ner dividiendo el voltaje por el valormáximo entre los dos extremos, don- de la corriente en amperios, aplicandode se tiene conectada la fuente de ten- la fórmula siguiente: R = E/I.sión eléctrica (presión). La ley de Ohm afirma que, dados dos circuitos sometidos a igual voltaje, LA LEY DE OHM la corriente será proporcionalmente mayor en aquel circuito que ofrezca Se conoce como Ley de Ohm a la menor resistencia. Dicha ley tambiénrelación existente entre el voltaje (E), establece que, en circuitos de resisten-la resistencia (R) y la corriente (I) en cias iguales, la corriente que por ellosun circuito eléctrico, y debe su nombre fluye será directamente proporcionalal físico alemán Georg Simón Ohm al voltaje aplicado. En otras palabras, (1789-1854), quien fue el primero en una elevada resistencia o un reducidoestablecer que la corriente en un cir- voltaje determinan una corriente redu-cuito es directamente proporcional al cida. Por simple deducción de la figuravoltaje aplicado, e inversamente pro- 6, al ampliar el canal, o al elevar más elporcional a la resistencia. Ello puede nivel del agua en el lado del tanque,ser expresado en la siguiente fórmula, se aumenta el caudal del agua. Desdedonde E corresponde a la inicial de el punto de vista eléctrico, equivale a"Electromotriz", para referirse al volta- decir que la corriente (I) aumentaje o fuerza que hace mover los electro- cuando se disminuye la resistencia (R),nes a través de un conductor o circui- o cuando se aumenta la diferencia deto: potencial eléctrico (E, V). Estos tres nuevos términos se en- cuentran muy ligados, tanto como lo Energía, están corriente, voltaje y resistencia en los circuitos eléctricos que hemos es- Trabajo tudiado. Pues bien, la verdad es que todo circuito eléctrico se diseña para llevar a cabo un trabajo. Para que di- y Potencia cho circuito pueda efectuar su trabajo necesita energía, ya que de lo contra- Aurelio Mejía M. rio no funciona. 23 Electrónica Fácil 1
  22. 22. La energía se manifiesta de muchas sol es transformada en energía quími- formas en la naturaleza. Hay energía ca por los vegetales, la cual se aprove-eléctrica, mecánica, luminosa, calóri- cha luego para la producción de oxí-ca, química, atómica, etc. Tener ener- geno, etc., etc. Cada sección de la físi-gía es tener capacidad para desempe- ca tiene sus propias unidades de medi-ñar un trabajo útil. Todo trabajo al da para la energía que le compete, yaefectuarse consume energía, pero está sea luminosa, cinética, potencial, caló-comprobado que ésta no se pierde si- rica, radiante, atómica, sonora, eléctri-no que se transforma en otra energía ca, etc., por lo que se necesitaría unde forma distinta. Una de las leyes estudio amplio para comprenderlas.fundamentales de la física nos diceque "la energía no se crea ni se destru- ENERGÍA = CAPACIDAD PARAye; sólo se transforma" (ley de la con- EFECTUAR UN TRABAJOservación de la energía). Los motoreseléctricos, por ejemplo, hacen su traba- TRABAJO = TRANSFORMACIÓNjo a base de convertir energía eléctrica ÚTIL DE UNA FORMA DE ENERGÍAen mecánica; las bombillas al trabajar A OTRA DISTINTA (aprovechamien-transforman electricidad en energía lu- to de la energía).minosa; cuando el obrero golpea consu herramienta el duro suelo, efectúa POTENCIA = TRABAJOsu trabajo gracias a que la energía quí- REALIZADO EN LA UNIDAD DEmica de su cuerpo se transforma en TIEMPO.energía mecánica. Energía y trabajo son generalmente Así como una misma persona puede designados con una misma unidad desaber varios idiomas, así también un medida. En un sistema mecánico, lamismo objeto físico tiene en un mo- energía necesaria para mover un obje-mento dado varias formas de energía, to es el producto de la fuerza aplicadadistintas en su naturaleza pero traduci- por la distancia recorrida. Si una cajables a una muy común: Calor. Una que pesa 10 libras es levantada a unasimple rama de un árbol, por ejemplo, altura de 4 pies, el trabajo ejecutado ytiene energía potencial por el sólo he- la energía requerida para este trabajocho de estar suspendida en el aire. Si es igual a 10 x 4 = 40 pies - libra. Lala rama se cae, dicha energía potencial unidad más empleada para medir else transforma primero en energía ciné- trabajo mecánico es el joule (julio, entica (energía mecánica, de movimien- español), que equivale a un poco me-to) y luego en calórica, ya que al res- nos de un pie-libra (1 joule = 0.738 debalar contra el piso se presenta el fe- pie-libra), la cual recibió su nombre ennómeno de la fricción, el cual trans- honor a James Prescott Joule (1818 -forma la energía cinética en calor. Ade- 1889), físico inglés, quien fué el prime-más, este trozo de madera se puede ro en estudiar la dependencia entre lausar después para alimentar una calde- cantidad de calor producida y la mag-ra, con lo cual continúa el proceso de nitud del trabajo mecánico que generótransformación o de trabajo con la dicho calor. En otras palabras, Jouleenergía almacenada, la cual probable- halló el valor correcto del equivalentemente tuvo su origen en la energía so- mecánico del calor mediante el trabajolar recibida por el árbol. Ya sabemos realizado durante la expansión de unaque la energía calórica y luminosa del masa gaseosa. 24
  23. 23. El trabajo que hace la corriente en cada una tensión de 1 voltio durante 1los circuitos eléctricos aparece en for- segundo.ma de energía química en la electróli-sis, o en forma de energía cinética en La potencia eléctrica, como la po-los motores. Pero si el circuito está tencia mecánica, es directamente pro-formado únicamente por resistencias porcional al trabajo e inversamenteóhmicas, ese trabajo aparece íntegra- proporcional al tiempo durante el cualmente en forma de calor. Pues bien, el se realiza ese trabajo.señor Joule encontró que la cantidadde calor producida es directamente Potencia = Trabajo/tiempoproporcional al cuadrado de la intensi- P=VQ/tdad, a la resistencia del circuito, y al P = Voltaje x Intensidadtiempo que dure el fenómeno eléctri-co. La unidad práctica de potencia es el joule/segundo, pero en los circuitos Pequeñas calorías (cal) = 0.24 I2 Rt eléctricos se acostumbra el watt (vatio, en español), en honor a James Watt, En todo circuito eléctrico se hace ingeniero escocés (1736 - 1819), quienun trabajo siempre que los electrones diseñó la máquina de vapor de doblesean forzados a circular a través de efecto. Cuando este señor comenzó auna resistencia. La cantidad del traba- vender sus motores, que más tarde da-jo hecho depende de la cantidad de rían origen a la locomotora de vapor,electrones movidos y del potencial tuvo que especificar su potencia com-(voltaje) necesitado para hacerlos pa- parándolos con los caballos que iban asar por la resistencia. La cantidad o reemplazar. Encontró que un caballocarga de electrones es el total de elec- promedio, que trabajara en propor-trones que pasan por un punto en un ción constante, podía hacer 550 pies-cierto lapso de tiempo, valor que está libras de trabajo por segundo. Este va-dado por la siguiente relación. lor recibió el nombre de caballo de fuerza, o un HP, de las palabras Horse Carga Q = Intensidad x tiempo (caballo) y Power (potencia, fuerza). La energía o trabajó en un circuito 1 joule/segundo = 1 vatioeléctrico es igual al producto del volta-je por la cantidad de electrones movi- La potencia eléctrica aumenta condos. Se usa la letra W para designar el voltaje y con la corriente, siendo entrabajo y energía. consecuencia proporcional al produc- to de ambos. Un vatio es igual a una W = VQ W = VIt corriente de un amperio fluyendo a la presión de un voltio, y su fórmula co- El trabajo es igual al producto del rrespondiente es:voltaje en voltios (en algunas fórmulasmatemáticas se acostumbra utilizar la W (vatios) = E (voltios) x l (amperios)letra E para indicar voltaje), corrienteen amperios, y tiempo en segundos. Se Cuando un voltaje de 20 voltios ge-necesita un joule de energía para hacer nera una corriente de 2 amperios a tra-fluir 1 amperio de corriente a través vés de un resistor de 10 ohmios, la po-de una resistencia cuando se tiene apli- tencia del circuito es: 25 Electrónica Fácil 1
  24. 24. P = VI = 20 x 2 = 40 vatios mo el poder de los ríos se mide tam- bién por el efecto combinado de su Nosotros podemos decir que la ener- torrente y caudal. Es lógico que la can-gía está siendo convertida de eléctrica tidad de agua que sale de la ducha dea energía calórica a una rata de 40 va- nuestro baño no es suficiente para ha-tios por segundo. Generalmente se usa cernos daño ni aunque esté cayéndo-el término "disipación" para describir nos desde 30 metros de altura, pero nola conversión de energía eléctrica en podríamos decir lo mismo si se tratasecalor. En este ejemplo, el resistor está de la tubería que alimenta a todo nues-disipando 40 vatios de potencia. tro barrio; en este caso el impacto del agua nos tumbaría y ocasionaría da- Se puede relacionar una corriente ños en nuestro cuerpo.eléctrica con el agua corriente de unrío: ... puede ser torrentosa, con mu- En el ejemplo del río, su corrientecho o poco caudal... puede ser una co- puede tener un gran caudal pero su le-rriente serena, que invita al baño, o un cho corre por un llano de muy pocahilo de agua que cae libremente desde pendiente; en este caso no tendríamosuna gran altura. potencia suficiente para mover una rueda Pelton, para accionar un genera- En electrónica también tenemos co- dor eléctrico o un molino, ya que, ade-rrientes eléctricas con variados niveles más de una buena corriente, se necesi-de tensión y de corriente, dependien- ta que tenga una adecuada velocidad.do del objetivo del circuito. Su capaci- El ejemplo opuesto se nos presentaríadad para efectuar un trabajo (mover en una zona montañosa, en la que unaun motor, encender una bombilla, ca- mínima corriente corre presurosa en-lentar una resistencia de fogón, etc.) tre las altas peñas: si el caudal no esdependerá de la combinación adecua- suficiente, tampoco se logra hacer gi-da de la tensión y la corriente, así co- rar la turbina. C ó m o hacer que la electricidad lleve potenciaCondensado de un capítulo del Libro Volviendo a la analogía con el agua, y"Understanding Solid-State Electro- tal como lo muestra la figura 8, la ener-nics". gía desarrollada por el hombrecito deEditado por Texas Instruments Lear- la bomba es usada por su compañeroning Center. para accionar la sierra que está cortan- do el tronco de madera. Desde el pun- Una de las aplicaciones prácticas de to de vista eléctrico, el generador ponela electricidad, es que puede llevar energía en el circuito cuando "bom-energía, o potencia, de un lugar a otro. bea" electricidad desde un nivel de 26
  25. 25. voltaje bajo hasta un nivel de voltaje energía eléctrica, en la práctica tam-alto. Dicha energía se puede recuperar bién se puede referir a un micrófono,haciendo el trabajo inverso, es decir, elemento encargado de convertir lahaciendo que la tensión eléctrica caiga energía sonora en energía eléctrica. Lade un voltaje alto a un voltaje bajo. rueda de paletas representa cualquier dispositivo que reconvierta la energía Así como el hombrecito de la figura eléctrica a la forma original. Por ejem-8 puede poner más potencia a la tur- plo, puede ser un motor que produzcabina que impulsa la sierra, incremen- energía mecánica, o un parlante quetando la altura en la caída del agua, entregue energía sonora.o aumentando el flujo del agua, asítambién nosotros podemos hacer que LA RESISTENCIA DE UNel generador (GEN) eléctrico aumente CIRCUITO DISIPA ENERGÍA ENla potencia hacia el motor (MOT), ya FORMA DE CALORsea poniendo otro que aporte una ma-yor diferencia de potencial (voltaje), o Veamos ahora que sucede cuandohaciendo crecer la intensidad de la co- retiramos el motor y dejamos que elrriente. agua caiga libremente, tal como se muestra en la figura 9. El salto de agua Aunque en nuestro ejemplo hemos es ahora simplemente el equivalenteutilizado la bomba para representar a de un resistor (dibujado con línea enun generador, que es un dispositivo zig-zag en el circuito eléctrico). Pero,que convierte energía mecánica en qué está sucediendo a la energía el 27 Electrónica Fácil 1
  26. 26. trabajo- que está poniendo el hombre- candescencia del filamento de las bom-cito en el agua con su bomba?. Esta billas eléctricas.energía se está gastando solamente envencer la fricción, o resistencia, en las Aunque dos resistores para uso elec-paredes del canal y la caída del agua. trónico pueden tener un mismo valor de resistencia ohmica, es posible que Puesto que la fricción genera calor, estén hechos para soportar la disipa-se presentan diferencias en la tempera- ción de potencias diferentes. En otrastura del agua que sale del grifo de la palabras, para una misma resistencia sebomba y la que hay en el canal infe- producen resistores que pueden "gas-rior. En resumen, en un circuito eléc- tar" 1/4, 1/2, 2, 5, etc., vatios de po-trico se utilizan los resistores para "ha- tencia sin sufrir deterioro por el au-cer caer" el potencial entre dos pun- mento de su temperatura.tos, pero la diferencia de energía (elproducto de voltios por amperios) es CORRIENTE DIRECTA,convertida en calor. Es por este fenó- PULSANTE Y CONTINUAmeno que se produce el calentamientode las resistencias de la estufa, y la in- En los circuitos anteriores hemos 28
  27. 27. visto que el agua siempre fluye en una Cuando la corriente invierte alterna-dirección, formando lo que se deno- damente su sentido dentro del circuitomina corriente directa, o simplemente recibe el nombre de corriente ac. Un"dc". Cuando el generador funciona circuito para corriente alterna trabajacomo la bomba de mano de la figura de manera similar a uno para corriente9, que solamente expulsa agua cuando directa, excepto que se requiere un ge-el hombrecito baja la palanca, se dice nerador especial para bombear la co-que la corriente es directa pulsante, y rriente primero en una dirección a tra-a la duración de cada chorro se le lla- vés del circuito y el motor, y luegoma ciclo de trabajo (duty cycle). A la en la otra dirección. Para recobrar lacantidad de chorros por segundo (ci- energía de la corriente en cualquieraclos de operación subida-bajada de la de sus sentidos se utiliza un motor es-palanca) se le denomina frecuencia de pecial.pulsos. Otro caso se presenta cuandola bomba utilizada como dispositivo La figura 10 muestra un circuito degenerador de la corriente es del tipo corriente alterna en términos hidráu-turbina, la cual funciona en forma licos. El pistón o compuerta conecta-continua y entrega un chorro unifor- da a la palanca que el hombrecito mue-me. Cuando esto sucede decimos que ve hacia uno y otro lado, empuja pri-la corriente es directa continua, o mero el agua en una dirección, y luegosimplemente " c c " (corriente conti- en sentido contrario. El dispositivonua). que cumple tal función con la electri- cidad recibe el nombre de generador CORRIENTE ALTERNA ac. 29 Electrónica Fácil 1
  28. 28. Q u é e s frecuencia eléctrica Aurelio M e j í a . cual un campo magnético de intensi- dad variable puede alterar las trayecto- La frecuencia de la corriente alterna rias de los electrones en los átomos dees justamente la medida de cuan a me- un conductor cercano. Dicho de otranudo ella cambia de dirección. Esto manera, las líneas de fuerza del campoes, si llamamos ciclo a cada recorrido magnético actúan como cuerdas de ar-completo de ¡da y vuelta de los elec- co lanzando electrones cual si fuesentrones a través del conductor, o una flechas. Para que las "cuerdas" se ten-porción de éste, entonces frecuencia sionen y cumplan su cometido es in-es la cantidad de ciclos por cada se- dispensable que éstas se muevan, esgundo. decir, que el imán se aleje o se acerque al conductor. Se da el nombre de "hertz" a unafrecuencia de un ciclo por segundo, enhonor al físico alemán Heinrich Ru-dolph Hertz (1857-1894), quien de-mostró la existencia de ondas electro-magnéticas y que estudió varias de suspropiedades (longitud, velocidad, re-fracción, reflexión, polarización). Abrióel camino de la telegrafía inalámbricay fue el primero en observar el efectofotoeléctrico. En los circuitos eléctricos reales seutilizan frecuencias mayores que lasque serían posibles con nuestro mode-lo hidráulico. Por ejemplo, escucha-remos kilohertz, que equivale a milesde ciclos por segundo, megahertz, quesignifica millones, y gigahertz, que in-dica billones. La corriente alterna se obtiene a par-tir de generadores que aprovechan elelectromagnetismo, fenómeno por el 30
  29. 29. A la distancia total que el electrón corriente o sistemas mecánicos paralogre avanzar en un vaivén completo inversión de los polos. De esto se en-(un ciclo), se llama longitud de onda. cargan unas escobillas de carbón pues-Imagina el movimiento acompasado de tas en contacto con unas laminillas deun péndulo de reloj, o recuerda el cobre (delgas) localizadas en el rotorejemplo hidráulico de la figura 10, y del generador.observa que, debido a la inercia delagua, resulta imposible iniciar a plena REPRESENTACIÓN GRÁFICA DEvelocidad el movimiento de la UNA CORRIENTE ALTERNAcompuerta que empuja el hombrecito. Para un principiante es confuso que Si llamamos "media longitud de las ondas de corriente alterna se dibu-onda" al segmento recto del canal por el jen como crestas y valles de olas acuá-cual se desplaza la compuerta en una ticas, cuando sabemos que los electro-dirección, resulta evidente que la nes se mueven a lo largo del conductor.máxima velocidad se alcanza cuando la Se ha utilizado esta representacióncompuerta llegue al centro de la "media gráfica con el fin de poder visualizarlongitud de onda", punto en el cual el mejor las características de sentidohombrecito debe comenzar a frenar, (polaridad), voltaje (amplitud) yhasta llegar a velocidad cero, o punto frecuencia (hertz).del retorno. Pues bien, los electronestambién experimentan esos mismos Si unimos un lápiz al extremo de uncambios de presión en una corriente péndulo de reloj, y colocamos debajo dealterna, llamándose amplitud máxima éste una hoja de papel, veremos que elo voltaje pico a la diferencia de lápiz traza siempre una línea recta. Sinpotencial existente en el centro de cada embargo, cuando movemos lentamente"media longitud de onda". Miremos la la hoja hacia un lado, mientras elfigura 12. péndulo funciona, los trazos del lápiz dejan de coincidir uno sobre el otro, y Existen también generadores de co- ante nuestros ojos aparece una ondarriente continua basados en el electro- como la mostrada en la figura 12.magnetismo, pero requieren ciertos ar-tificios, tales como rectificadores de 31 Electrónica Fácil 1
  30. 30. Condensado de un capítulo del libroUnderstanding Solid-State Electronics,editado por Texas Instruments LearningCenter.Traducción y adaptación: Aurelio Mejia M. 32
  31. 31. Ya conocemos las características El hombrecillo de la compuerta esdel flujo de una corriente, y sabemos representativo de todo aquello queque puede llevar potencia de uno a tenga incidencia sobre el flujo eléctri-otro sitio. Pues bien, dicha potencia co dentro de un circuito, entre lapuede ser controlada para hacer que fuente de alimentación de potencia yel sistema se comporte como lo nece- el punto de su utilización.sitamos. Resumiendo: Nosotros sólo pode- Existen dos maneras de controlar mos hacer dos cosas a la electricidadla potencia. La primera consiste en re- entre la fuente de potencia y el pun-gular la cantidad de potencia que el to de utilización: Interrumpirla , logenerador pone en el circuito. En el que equivale a la función "encendido-ejemplo hidráulico que hemos utiliza- apagado", o regularla, lo cual pode-do en la figura 8, la potencia que lle- mos hacer variando el valor de una re-ga a la sierra circular depende de la sistencia intercalada en el circuito.potencia aplicada a la bomba. Si elhombrecillo bombea vigorosamente,sube más el nivel del agua y aumentala presión sobre la turbina que muevea la sierra. En la práctica, sin embar-go, la potencia disponible en los siste-mas eléctricos no tiene control en sufuente. La segunda, y la forma más comúnde controlar la potencia, consiste enregular la tensión eléctrica, o la co-rriente, en algún punto intermedio delcircuito. La figura 13 nos ilustra comoejercer este control -observe la repre-sa que forma el hombrecillo con lacompuerta deslizante. Suponiendo que la bomba de aguaestá trabajando a un ritmo constante,se puede variar la potencia de corte dela sierra circular solamente deslizandola compuerta hacia adentro o hacia El diagrama esquemático de la figu-afuera del canal. Puesto que ra 13 nos ilustra en términos eléctricosel hombrecillo puede interrumpir el lo que hemos dicho. Como se puedeflujo, limitar su caudal, o abrir del to- apreciar, entre el generador (bomba) ydo la compuerta, se tiene en conse- el motor (turbina de agua) se encuen-cuencia un control sobre la potencia tra un resistor variable, usualmente lla-aplicada a la turbina. Se puede hacer mado "potenciómetro", el cual tam-que la sierra se detenga, corte lento, o bién puede actuar como un interrup-más rápido. tor para encendido-apagado. 33 Electrónica Fácil 1
  32. 32. ¿ P o d e m o s almacenar la energía eléctrica? Aurelio Mejía M. Así como podemos contener pintu- EL CONDENSADOR, UNra a presión dentro de un envase tipo ELEMENTO PARA ALMACENARaerosol, o podemos almacenar ener- ELECTRICIDADgía mecánica comprimiendo un resor-te, así también podemos ejercer pre- Al igual que los resistores, los con-sión sobre un flujo de electrones y densadores se utilizan ampliamente enobligarlos a que se acomoden "apretu- el diseño de circuitos electrónicos. Bá-jados" dentro de una placa o lámina sicamente, un condensador consiste ende material conductor. Al aumentar la dos placas metálicas paralelas (electro-tensión eléctrica (voltaje) haremos que dos) separadas por un espacio de aire.un mayor número de átomos reciban Cuando se suministra una tensión demás electrones libres en sus respecti- corriente continua a través de los elec-vas capas de valencia, cual si estuviése- trodos, se almacena entre ellas unamos inflando un globo de caucho. carga eléctrica proporcional a dicha tensión. Para liberar la energía en cada caso,bastará con abrir la válvula del envase, La polaridad de la carga depende deo soltar el resorte, o poner la placa en la dirección de la corriente suministra-contacto con otro conductor que reci- da. Cuanto mayor sea el área (superfi-ba fácilmente a esos electrones exce- cie) de los electrodos enfrentados, ydentes. Cuando eso suceda, se producirá menor la distancia entre ellos, mayormomentáneamente un flujo que tien- será la carga eléctrica almacenada (ca-de a establecer el equilibrio de las car- pacitancia). La figura 15 nos muestragas positivas y negativas. la forma elemental de un condensar- dor. Ahora bien, si en lugar de una solaplaca ponemos dos bien juntas, sinque se toquen, obtendremos mejoresresultados, ya que se les puede llenarcon cargas de signos opuestos. Al unirpor medio de un circuito externodichas placas, los electrones almace-nados en la negativa fluirán hacia lapositiva, y podremos utilizar dichacorriente eléctrica para ejecutar lostrabajos previstos. A este dispositivoformado por las dos placas se ledenomina condensador (o capacitor). 34
  33. 33. Si se coloca un material aislante la teoría de la influencia electrostáti-entre los electrodos, tal como se ilus- ca, se le debe la formulación de las le-tra en la figura 16, la capacitancia yes de la electrólisis (leyes de Faraday).se vuelve aún más alta. El material También, licuó varios gases: produjoque da un valor particularmente alto nuevas clases de vidrio óptico y efec-de capacitancia se llama dieléctrico. tuó la vaporización del mercurio.Los dieléctricos más empleados son elpapel, la mica, la cerámica, óxidos de Como el faradio es una unidad de-aluminio, el tantalio, el poliéster y el masiado grande para aplicaciones prác-polipropileno. ticas, se utilizan unidades de capaci- tancia más pequeñas, como el microfa- La unidad básica de capacitancia es radio (mF =millonésima parte de un fa-el Faradio (unidad F). Un condensa- radio), el nanofaradio (nF = milésimador tiene una capacitancia de 1 Fa- parte de un microfaradio) y el picofa-radio cuando es capaz de almacenar radio (pF = milésima parte de un nano-una carga equivalente a 1 Culombio faradio). Por ejemplo: 0,001mF = 1nF =(unos 6,3 billones de billones de elec- 1000 pFtrones) al aplicar una tensión de 1Voltio entre sus placas. Puesto en paralelo con la fuente de tensión de un circuito, el condensador La unidad de capacitancia recibió hace las veces del tanque de almacena-su nombre en honor al químico y físi- miento de agua en nuestras casas: cuan-co británico Michael Faraday (1791 - do falte el suministro principal, enton-1867), quien descubrió la manera de ces la energía almacenada en el con-producir corriente eléctrica por medio densador trata de mantener uniformedel magnetismo (o inducción electro- la corriente. En este caso se dice quemagnética), haciendo girar un disco de el condensador está conectado comocobre entre los polos de un imán filtro de la fuente, o eliminador del riza-(28 de octubre de 1831). Además de do en las fluctuaciones del flujo. 35 Electrónica Fácil 1

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