Segunda nota ~ Lenguaje de Programacion

Circuito eléctrico

Un circuito eléctrico es un arreglo que permite el flujo completo de corriente eléctrica bajo la influencia de un voltaje.
Un circuito eléctrico típica-mente está compuesto por conductores y cables conectados a ciertos elementos de circuito como aparatos (que aprovechan el flujo) y resistencias (que lo regulan).

La analogía sería al flujo de un circuito de agua que funciona bajo la presión del flujo.

Para que exista un circuito eléctrico, la fuente de electricidad debe tener dos terminales: una terminal con carga positiva y una terminal con negativa.
Si se conecta el polo positivo de una fuente eléctrica al polo negativo, se crea un circuito. Entonces la carga se convierte en energía eléctrica cuando los polos se conectan, permitiendo el flujo continuo de energía cinética.
Los electrones siempre se desplazarán por medio de energía cinética de cuerpos con carga negativa hacia cuerpos con carga positiva con cierto voltaje a través de un vínculo o un puente entre ambas terminales que usualmente llamamos “circuito”. El nombre “positivo” o “negativo” únicamente sirve para indicar el sentido de las cargas.

Al crearse un puente, dependiendo de la resistencia de las partículas que compongan al puente será la velocidad de transportación de los electrones de los átomos con exceso de electrones (iones negativos) hacia los átomos con falta de electrones (iones positivos).
Si demasiados electrones cruzan al mismo tiempo el puente, pueden destruirlo en el proceso, por lo que el número de electrones que se intercambian en el circuito en un tiempo determinado puede ser limitado a través de la resistencia, que se traducirá en calor como pérdida de energía.
Dentro del circuito se puede estar conectado un motor que aproveche la energía cinética de los electrones para convertirlo en trabajo al crear un campo magnético que interactúe con otros magnetos, creando movimiento.

También se puede instalar un interruptor. Cuando presionas el interruptor conectando las puntas, el circuito se “cierra” y la corriente fluye, de lo contrario el circuito queda “abierto” y la corriente no puede fluir.
Al número de interacciones de electrones que ocurren dentro de un circuito al mismo tiempo se le llama “corriente” y se mide en “Amperes”. Un ampere equivale a 6.25 x 1018 electrones moviéndose por una corriente por segundo, a lo que se llama colombio.
La cantidad de carga entre los lados de un circuito se llama “voltaje” y se mide en Volts, que en otras palabras es la cantidad de carga eléctrica necesaria para que 1 colombio haga una cantidad de trabajo específica.
Una gran cantidad de voltaje o una pequeña resistencia puede romper el circuito, una pequeña cantidad de voltaje o una gran resistencia no producirá el suficiente trabajo para hacerlo útil.
Cuando tenemos sólo un circuito a través del cual los electrones pueden viajar para llegar al otro lado, tenemos un “circuito en serie”.

Si ponemos otro circuito junto al primero, tendremos dos circuitos entre las cargas, llamando a esto un “circuito paralelo” porque corren paralelamente el uno del otro, compartiendo el mismo voltaje pero permitiendo más caminos para el recorrido de la electricidad.
Los circuitos pueden volverse muy complejos con varios circuitos paralelos, y su comportamiento puede analizarse matemáticamente para determinar el comportamiento de su corriente.
Las partes en un circuito son los receptores o consumidores (dispositivos conectados al circuito en el que puede fluir la carga internamente), un generador o acumulador (transforma una energía en energía eléctrica) y el conductor (el medio por el que los electrones se transportan).
También en los circuitos por lo general se incluyen dispositivos de maniobra o protección contra sobrecargas de voltaje como fusibles, los nodos (cuando concurren más de dos conductores), las ramas (el conjunto de todos los elementos entre dos nodos), o una malla (cualquier camino cerrado en un circuito),
Para diseñar cualquier circuito eléctrico es necesario predecir las tensiones y corrientes de todo el circuito y conocer la terminología y simbolismos de cada elemento que se usa convencionalmente.

Naturaleza de la electricidad
¿Qué es la electricidad? ¿Cómo se produce? ¿Cuál es su naturaleza? Intentaremos responder a todas estas preguntas en esta Unidad. El átomo será el elemento base de todo el proceso; por eso hay que comenzar con el estudio de su estructura. En la naturaleza encontramos 107 elementos o cuerpos simples diferentes, que se encuentran reflejados en la tabla periódica. El átomo es la parte más pequeña de estos elementos, sin que se pierdan, sin embargo, sus propiedades físicas y químicas.
Estructura de los átomos
Como ya sabes, la palabra átomo significa en griego indivisible, y así se consideró durante mucho tiempo. Posteriormente, los trabajos de Rutherford, Bohr y otros investigadores revelaron que está formado por partículas subatómicas mucho más pequeñas, como los electrones, los protones, los neutrones, los positrones, los mesones, los neutrinos, los antiprotones, etc. Centremos nuestra atención en los tres primeros
Electrones: giran a gran velocidad alrededor del núcleo describiendo órbitas elípticas y se mantienen en estas órbitas gracias a la energía de atracción del núcleo. A diferencia del sistema planetario, esta fuerza no es gravitatoria sino eléctrica. La carga eléctrica de los electrones es negativa y su masa es de 9,1091 · 10–31 kg.
Protones: forman el núcleo del átomo. El valor absoluto de su carga eléctrica es igual a la del electrón pero positiva. Su masa es 1 836,11 veces superior a la del electrón.
Neutrones: son partículas elementales sin carga, situadas en el núcleo del átomo y con una masa aproximadamente igual a la del protón.
Cada átomo tiene el mismo número de electrones que de protones. Si la carga del electrón es igual que la del protón, podemos considerar el átomo eléctricamente neutro. Los electrones, en su recorrido orbital, están sometidos a la fuerza de atracción del campo eléctrico del núcleo y a la fuerza de repulsión de los electrones de las capas inferiores (energía potencial). Además, a causa de su velocidad, tienen también energía cinética. Si sumamos estas dos energías, obtenemos la energía total del electrón en una determinada órbita o capa. Cuanto más alejados estén los electrones del núcleo, más pequeña será la fuerza de atracción de este núcleo y, por lo tanto, más pequeña será la energía que le debemos suministrar para vencer la fuerza de atracción y hacer que salte de la última capa o capa periférica. El átomo, al perder un electrón, queda instantáneamente sin equilibrio eléctrico, ya que el número de protones es superior al de electrones. En este caso, diremos que el átomo quedará cargado positivamente y se convertirá en un ión positivo o catión. Si, en el caso contrario, un átomo captura un electrón, quedará cargado negativamente y se convertirá en un ión negativo o anión.
Cargas electrostáticas
Casi seguro que en cursos anteriores has realizado el experimento de frotar tu bolígrafo con un pa- ño para ver cómo después atraía pequeños trozos de papel. Este fenómeno es un fenómeno electrostático, observado por el griego Tales de Mileto en el siglo VII a.C., cuando comprobó que al frotar un trozo de ámbar con un paño de lana, éste, de manera prodigiosa, atraía pequeñas plumas, pequeñas pajas, etc.

Ley de Coulomb
En el experimento realizado anteriormente hemos observado que existían fuerzas de atracción o de repulsión entre los distintos cuerpos cargados, dependiendo de sus signos. La ley de Coulomb nos permite cuantificar esta fuerza en función de las magnitudes que intervienen.
La ley de Coulomb dice que la fuerza de atracción o de repulsión entre dos cargas es directa-mente proporcional al producto de sus cargas (Q y Q’) e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa (r). Esta fuerza tiene como dirección la recta que une las dos cargas

donde K = constante que depende del medio que rodea las dos cargas

Potencial eléctrico
El potencial eléctrico (V) en un punto es el trabajo (cambiado de signo) que hay que hacer para vencer las fuerzas del campo eléctrico, para trasladar la unidad de carga positiva desde el infinito hasta este punto. Caracteriza los distintos puntos del espacio y es independiente de la carga.

Esto equivale al cociente entre la energía potencial eléctrica de una carga Q' colocada en este punto y la carga Q', es decir, la energía potencial eléctrica por unidad de carga.

Si en lugar de una carga puntual tenemos una distribución de cargas, el potencial será la suma de los potenciales que crean cada una de las cargas. El signo del potencial es positivo o negativo en función del signo de la carga. Todos los puntos que se encuentran a una misma distancia de la carga Q tienen el mismo potencial. Estos puntos pertenecen a una superficie esférica que tiene por radio la distancia r hasta la carga; esta superficie se denomina superficie equipotencial (figura 1.14). Si tenemos só- lo una carga, las superficies equipotenciales son esferas concéntricas.

ejercicio:

Diferencia de potencial Definimos la diferencia de potencial eléctrico como el trabajo (cambiado de signo) necesario para trasladar una carga entre dos puntos de este campo. Si partimos de la expresión obtenida anteriormente en el cálculo de la diferencia de energía potencial eléctrica entre dos puntos, tendremos:

La expresión (VA – VB) se conoce con el nombre de diferencia de potencial entre dos puntos. Si lo aislamos de la expresión anterior, podremos definir el concepto de diferencia de potencial.

La diferencia de potencial entre dos puntos A y B es el trabajo (cambiado de signo) necesario para trasladar la unidad de carga positiva desde B hasta A.

ejercicios:

Conductores, semiconductores y aislantes
Teniendo en cuenta ciertas propiedades eléctricas, los cuerpos se pueden clasificar en conductores,
aislantes y semiconductores.

Conductores
En los metales, los diferentes átomos están unidos por enlaces metálicos, por lo que dan una estructura geométrica muy rígida. Para este tipo de enlace no son necesarios todos los electrones del átomo, y algunos de ellos quedan poco sujetos al núcleo atómico. Estos electrones recorren el metal de manera libre y desordenada y se denominan electrones libres . Los electrones libres son la causa de que los metales sean buenos conductores de la electricidad y del calor.

Semiconductores
Algunos elementos, como el selenio, el silicio y el germanio, tienen cuatro electrones de valencia y para formar su estructura comparten estos electrones con electrones de átomos próximos . Este tipo de enlace se denomina enlace covalente y proporciona fuerzas atractivas muy fuertes entre los diferentes átomos. Al aumentar la temperatura en estos materiales se rompen algunos de estos enlaces y quedan electrones libres; por lo tanto, se convierten en conductores en determinadas circunstancias. Su conductividad dependerá del
número de electrones libres existentes.

Aislantes o no conductores
Estas sustancias, a diferencia de los metales, no disponen de electrones libres porque necesitan
todos sus electrones de valencia para realizar sus enlaces.
En determinadas circunstancias, alguno de estos enlaces moleculares se puede romper, de
tal manera que quede algún electrón libre y haga que el material conduzca muy poco la electricidad.

Componentes básicos. Símbolos
Todos los componentes de un circuito eléctrico son representados gráficamente mediante símbolos
elementales, que han sido normalizados de manera que sea idéntica su interpretación para
todo el mundo.
En la tabla 1.2 se muestran los diferentes símbolos eléctricos más frecuentes utilizados en
electrotecnia y normalizados según las normas españolas (UNE) y otras internacionales (DIN,
ANSI, CEI, etc).

Los receptores. La resistencia eléctrica
Los aparatos receptores son los encargados de transformar la energía eléctrica que reciben en
energía útil. Los hay de muchos tipos; en general, cualquier aparato que funcione con energía
eléctrica es un receptor.
No todos los receptores y conductores dejan pasar la corriente eléctrica con la misma facilidad
a través de ellos. Esta oposición se denomina resistencia eléctrica.

Resistencia eléctrica
Cuando unimos dos cuerpos entre los que hay una diferencia de potencial con un conductor, éste
es recorrido por una corriente eléctrica formada por un conjunto de electrones. Éstos, en su
recorrido, chocan con otros electrones y los hacen cambiar de dirección. Teniendo en cuenta
que no todos los materiales conductores tienen una misma estructura y constitución atómica,
no todos tendrán el mismo número de electrones libres, lo cual hace que unos materiales presenten
una oposición más grande que otros al paso de la corriente eléctrica.
La resistencia eléctrica (R) es la oposición que presentan los diferentes conductores al paso
de la corriente eléctrica.
La resistencia de un conductor depende de la naturaleza del conductor, de su longitud y de su
sección.

La naturaleza o estructura atómica del conductor, que se expresa mediante una constante
llamada resistividad (ρ) propia de cada material.
La longitud (l), ya que cuanto más largo es el conductor, más grande es la dificultad por circular;
es decir, a más longitud, más resistencia. Así pues, la resistencia de un conductor es
directamente proporcional a su longitud.
La sección (S), ya que al aumentar la sección del conductor facilitamos el paso de los electrones
y disminuimos, por lo tanto, su resistencia.

Estos factores nos determinan el valor de la resistencia de un hilo conductor:

donde R = resistencia eléctrica (Ω)
ρ = resistividad eléctrica (Ωm2/m = Ωm)
l = longitud del conductor (m)
S = sección del conductor (m2)
En la tabla se muestran los valores de la resistividad para diferentes materiales.

El material más utilizado para conductores eléctricos es el cobre, porque presenta una baja resistividad,
es muy dúctil y es uno de los más económicos. En microelectrónica o en circuitos
electrónicos de muy alta precisión se utiliza el oro, ya que es un material que no se oxida.
Se ha observado experimentalmente que la resistividad de un material depende de la temperatura
(tabla 1.4). En los conductores metálicos, la resistividad aumenta con la temperatura; este
incremento depende de la naturaleza del conductor y viene determinado por la expresión:

En el cero absoluto de temperatura, la resistividad que presentan algunos metales como el
hierro, el cobre, la plata, el platino y el oro es nula. Este fenómeno se conoce con el nombre de
superconductividad.

Ejercicio:

Diferentes tipos de resistores

Los resistores son componentes especialmente diseñados para ofrecer una determinada resistencia
al paso de la corriente eléctrica.
En los circuitos electrónicos se utilizan los resistores para distribuir adecuadamente la tensión
y la corriente por los diferentes puntos del circuito. En electricidad, el efecto de la resistencia
es oponerse al paso de la corriente y transformar la energía eléctrica en calor, como es el caso
de las resistencias calefactoras y de las lámparas incandescentes.
En la Unidad 4 puedes encontrar los diferentes tipos de resistores y el código de colores para la
lectura de su valor óhmico.

Instrumentos de medida
Existen dos tipos de instrumentos de medida, los analógicos y los digitales.
Los instrumentos analógicos son aquellos que indican el valor de la medida mediante el
desplazamiento de una aguja sobre una escala numerada. En estos la aguja lleva incorporado
un mecanismo que nos permite mediante un tornillo su puesta a cero. Hay aparatos de
precisión que además incorporan un espejo para evitar errores en las medidas causados por
efectos ópticos. Para evitar estos errores en las lecturas tenemos que hacer coincidir la aguja
con su proyección sobre el espejo. Sin embargo, estos aparatos comenzaron a estar en desuso
con la aparición de los instrumentos digitales, que son mucho más cómodos, fiables, rápidos
para realizar la lectura y más fáciles de transportar.
Los instrumentos digitales indican los valores de las medidas de forma directa mediante
dígitos sobre una pantalla alfanumérica. La precisión de estos instrumentos dependerá del
número de dígitos que posea el display. Por ejemplo, un instrumento de 3 1/2 dígitos significa
que tiene tres dígitos que toman valores entre 0 y 9 (dígitos completos) y un dígito que
sólo toma dos valores, el 0 y el 1 (1/2 dígito); cuantos más dígitos posea el instrumento,
mayor será su precisión.
Las cualidades que hemos de tener en cuenta al elegir un instrumento de medida son:

La exactitud es el grado de concordancia entre el valor real y el experimental. Un instrumento
será exacto si las medidas realizadas con él son todas ellas muy próximas al valor
real de la magnitud a medir.
La precisión es el grado de concordancia entre mediciones sucesivas; cuanto más parecidas
sean las medidas, más preciso será el instrumento.
La precisión y la exactitud son cualidades que están íntimamente relacionadas con la calidad
del aparato y su precio.
La fidelidad si al repetir una misma medida nos indica siempre el mismo valor.
La rapidez con la que se estabiliza la lectura del aparato.

Errores en la medida
Al realizar medidas nuestros resultados pueden verse alterados, es decir, podemos obtener resultados
erróneos. Es importante que conozcamos cómo podemos cometer errores en la medida
para poderlos evitar. Éstos pueden ser sistemáticos y/o accidentales.
Los errores sistemáticos son debidos a las características del aparato y a la destreza de la
persona que realiza la medida.
– Errores debidos al instrumento, como el reglaje en los analógicos, es decir, el cero de la
escala no coincide con la posición cero de la aguja, defectos de la graduación del instrumento,
desgaste de las piezas o de la pila en el caso de los digitales, etcétera.
– Errores personales, que dependen de la habilidad de la persona que realiza la medida.
Ejemplos de ello son: no esperar que la lectura se estabilice, no trabajar con la escala adecuada,
no realizar los reglajes correctos, paralaje entre la aguja y la proyección de esta sobre
el espejo, etcétera.
Los errores accidentales o eventuales son aquellos que se producen por causas fortuitas o
de forma aleatoria. Únicamente se pueden paliar parcialmente obteniendo la media aritmética de las distintas medidas sucesivas.
Una vez estudiados y definidos los distintos factores que pueden influir en una medida, trataremos
de cuantificarlos. Utilizaremos dos parámetros: el error absoluto y el error relativo.
El error absoluto es la diferenta entre el valor de la medida y el valor real de la magnitud.
Si no conocemos el valor real de una magnitud, podemos sustituirlo por la media aritmética
de las distintas medidas realizadas

Pero este parámetro no nos informa de la magnitud del error, es decir, no es lo mismo cometer
un error de 0,3 V sobre una medida real de 2 V que de 300 V. Para cuantificar el error
necesitamos otro parámetro que nos indique el grado de la exactitud de la medida; este se
denomina error relativo.
El error relativo es el cociente entre el error absoluto y la medida real de la magnitud y se
expresa normalmente en tanto por ciento (%).