: Ley de Ohm

Sesión 0.2

Herramientas  materiales y otros componentes utilizados en la electrónica

SESIÓN 1.3

Sesión Nº. 1.3. 

  

Ley de Ohm

Ley de Ohm

La ley de Ohm básicamente establece que la cantidad de corriente en un circuito varía directamente con el voltaje y varía inversamente con la resistencia. En otras palabras, si el voltaje a través de un circuito aumenta mientras la resistencia se mantiene constante, las corrientes aumentarán en proporción directa al voltaje aplicado.

La ley de Ohm describe matemáticamente la relación entre voltaje, corriente y resistencia en un circuito. La ley de Ohm se expresa en tres formas equivalentes según qué cantidad se requiera determinar. Como se verá, la corriente y el voltaje son linealmente proporcionales. Sin embargo, la corriente y la resistencia son inversamente proporcionales.

Estop sgnifica:

1).  Si se eleva E, aumenta I

2).  Si  se reduce E, disminuirá I

3).  Si se aumenta R, disminuirá I

4).  Si se reduce R, aumentara I

 La relación lineal de corriente y voltaje

En circuitos resistivos, la corriente y el voltaje son linealmente proporcionales. Lineal significa

que si una de las cantidades se incrementa o disminuye en cierto porcentaje, la otra se incrementará

o disminuirá en el mismo porcentaje, suponiendo que el valor de la resistencia es constante.

Por ejemplo, si el voltaje a través de un resistor se triplica, la corriente se triplicará.

Ejemplo:

SESIÓN 2.1.

                                     SESIÓN  2.1.

Lectura de código de colores en  resistencias de

                                   carbón.

Lectura de código de colores en  resistencias de

 carbón.

  

Concepto. Cuando en un material existe corriente, los electrones libres se mueven en éste y de vez en cuando chocan con átomos. Estas colisiones provocan que los electrones pierdan algo de su energía, con lo cual se restringe su movimiento. Entre más colisiones haya, más se restringe el flujo de electrones.

Esta restricción varía y está determinada por el tipo de material. La propiedad de un material de restringir u oponerse al flujo de electrones se llama resistencia, R.

La resistencia es la oposición a la corriente.

La resistencia se expresa en ohms, simbolizada mediante la letra griega omega .(Ω).

Existe un ohm (1 Ω) de resistencia si hay un ampere (1 A) de corriente en un material cuando se aplica un volt (1 V) al material.

El símbolo esquemático de resistencia se muestra en la figura  2.1.1.

                                                              Fig. 2.1.2.

 Conductancia

El recíproco de la resistencia es la conductancia, simbolizada mediante G. La conductancia es una medida de la facilidad con que se establece la corriente.

La fórmula es:

 La unidad de conductancia es el siemens, abreviada con S. Por ejemplo, la conductancia de un resistor de 22 Ω es

Pueden ser de carbón, película de carbón, película metálica y óxido de metal, siendo las de película de carbón y metálica las más usadas.

Resistencia:

Un componente diseñado específicamente para que tenga cierta cantidad de resistencia se llama resistor. La aplicación principal de los resistores es limitar la corriente en un circuito, dividir el voltaje, y, en ciertos casos, generar calor.

Clasificación:

Aun cuando los resistores vienen en muchas formas y tamaños, todos pueden ser colocados en dos categorías principales: fijos y  variables.

Resistencias fijas.

Son aquellas resistencias cuyo valor se mantienen fijas y tienen dos terminales y se pueden subdividir en:

1.  Por el material empleado en su fabricación:

Resistencia de carbón:

Tienen  forma cilíndrica y son de bajo vatiaje Se fabrican en diversos tamaños, según la potencia que deban soportar. Siendo de 1/8w, 1/4w, 1/2w, 1w y 2w.

Resistencias bobinadas: 
Constan de un alambre  metálico de nicrom bobinado sobre un núcleo posee mayor estabilidad y disipan mas calor y su vatiaje son altos: 5 W, 10 W,  20 W, 50 W…  y mas.

Resistencia de película metálica:

Consta de una fina película metálica condensada sobre un soporte de cerámica  es de gran estabilidad y gran exactitud. Su tolerancia es de 1%, 0.5 %, 0.1%

 El color del cuerpo puede variar, aunque no influye en su valor, pudiendo encontrarlas de color crema claro, rojo, violeta y azul principalmente. Sus tolerancias pueden ser del 0.5%, 1%, 2%, 5%, 10% y 20%. Las más usadas son  las del 1% y 5%.

Designación de valor Óhmico.

El valor de la resistencia viene indicada en la misma resistencia por el propio fabricante en dos maneras:

El valor en cifras y letras se indica de las siguientes maneras:

10E = 10R=10Ω

8E2 = 8,2 Ω

  1K = 1KΩ

5K6 =  5,6K = 5600Ω

100M = 10MΩ= 10 000 000

Código de colores.

1. Código de colores de 3 o 4 bandas o franjas.

2. Código de colores de 5 o 6  bandas o franjas.

Tolerancia:

 Se ha mencionado que la cuarta banda indica la tolerancia de la resistencia. Esta tolerancia o precisión significa que el valor real no es necesariamente el mismo que indica el código.

Un 10% de tolerancia significa que el valor real puede ser un 10% mayor o menor que el valor que indica el código.

Por ejemplo, para una resistencia de 10.000 ohmios con una tolerancia del 5% se puede tener en la práctica, cualquier valor entre 9.500 y 10.500 ohmios. El 5% de 10.000 es 500. Esta tolerancia se debe a la precisión del proceso de fabricación de esas resistencias ya que las máquinas depositan una capa ligeramente mayor o menor del compuesto resistivo.

Se fabrican resistencias con tolerancias del 20%, 10%, 5% (que son las más comunes), 2%, 1%, 0.5%, 0.1% y más. El costo de las resistencias sube considerablemente a medida que su precisión aumenta. Debemos utilizar por lo tanto las resistencias más económicas posibles pero que no alteren la operación del circuito.

Por lo general, para los circuitos y proyectos básicos se utilizan resistencias con una tolerancia del 5%.

 En el cuadro adjunto anotar  el código de colores según franjas indicadoras de cada resistencias valor mínimo y valor máximo de R1 a  R4.

Las resistencias se ven de frente y su valor en código de colores se lee colocando la franja dorada o plateada en el extremo derecho. Luego los colores se leen de izquierda a derecha.

Resistencias fijas.

Pueden ser de carbón, película de carbón, película metálica y óxido de metal, siendo las de película de carbón y metálica las más usadas. Se fabrican en diversos tamaños, según la potencia que deban soportar. Siendo de 1/8w, 1/4w, 1/2w, 1w y 2w. El color del cuerpo puede variar, aunque no influye en su valor, pudiendo encontrarlas de color crema claro, rojo, violeta y azul principalmente. Sus tolerancias pueden ser del 0.5%, 1%, 2%, 5%, 10% y 20%. Las más usadas son las del 1% y 5%.

 También las hay encapsuladas en grupos (se suelen llamar arrays de resistencias), que pueden tener una patilla en común o ser cada una de ellas independiente eléctricamente. Lo que se consigue con esto es tener en un espacio reducido varias resistencias con el mismo valor y una tolerancia muy ajustada.

Existe también la serie E192 con una tolerancia del 0.5%, poco usada por los aficionados, salvo para montajes que requieren una extremada precisión. Y obviamente se compone de 192 valores básicos. Por otra parte la serie E6 y la E12 no son muy recomendables dado su baja precisión, siendo lo habitual usar la serie E24 al 5% y en casos de montajes delicados usaremos la serie E96 al 1%.

Manejo de la tabla: escojamos el valor de tolerancia que nos interese (0.5, 1, 2, 5, 10 o 20%), los valores existentes son los resultantes de aplicar los siguientes factores:

:1, x1, x10, x100, x1000, x10.000, x100.000, x1.000.000

 Tablas de valores normalizados. 

Sesión 1.1.

Proyecto Nº. 1  Diseño, análisis y construcción de luminarias. 

Sesión Nº. 1.1.   

PRINCIPIOS DE LA ELECTRICIDAD.

Sesión Nº. 1.1.   PRINCIPIOS DE LA ELECTRICIDAD.

ESTRUCTURA ATÓMICA

Toda la materia se compone de átomos, y todos los átomos se componen de electrones, protones y neutrones. En esta sección aprenderá acerca de la estructura de un átomo, lo cual incluye capas y órbitas de los electrones, electrones de valencia, iones y niveles de energía.

La configuración que presentan ciertos electrones en un átomo es el factor clave para determinar qué tan bien conduce la corriente eléctrica un material conductor o semiconductor.

Un átomo es la partícula más pequeña de un elemento que conserva las características de dicho elemento. Cada uno de los 109 elementos conocidos tiene átomos que son diferentes de los átomos de todos los demás elementos. Esto da a cada elemento una estructura atómica única. Según el modelo básico de Bohr, en un átomo se visualiza como una estructura de tipo planetario que consta de un núcleo central rodeado por electrones que lo orbitan, tal como se ilustra en la figura.

 1-1. El núcleo se compone de partículas cargadas positivamente y llamadas protones, así como de partículas no cargadas que se denominan neutrones. Las partículas básicas de carga negativa se llaman electrones.

Cada tipo de átomo tiene un cierto número de electrones y protones que lo distingue de los átomos de todos los demás elementos.

Número atómico

Todos los elementos están dispuestos en la tabla periódica de los elementos en un orden que va de acuerdo con su número atómico. El número atómico es igual al número de protones presentes en el núcleo. Por ejemplo, el número atómico del hidrógeno es 1 y el del helio es 2. En su estado normal (o neutro), todos los átomos de un elemento dado tienen el mismo número de electrones y de protones; las cargas positivas igualan a las cargas negativas, y el átomo tiene una carga neta de cero que lo vuelve eléctricamente neutro.

Capas, órbitas y niveles de energía

Tal como se ha visto en el modelo de Bohr, los electrones describen órbitas alrededor del núcleo a ciertas distancias de éste y están restringidos a dichas órbitas específicas. Dentro del átomo, cada órbita corresponde a un nivel de energía diferente conocido como capa. Las capas se designan con 1, 2, 3, y así sucesivamente, siendo la capa 1 la más cercana al núcleo. Los electrones más alejados del núcleo están a niveles de energía más altos.

De acuerdo con el modelo de Bohr para el átomo, las líneas espectrales del hidrógeno muestran que los electrones sólo pueden absorber o emitir una cantidad de energía específica que representa la diferencia exacta entre los niveles de energía.

Electrones de valencia

Los electrones que se localizan en órbitas alejadas del núcleo están dotados de más energía y se encuentran menos estrechamente ligados al átomo que aquellos cercanos al núcleo. Esto se debe a que la fuerza de atracción entre el núcleo positivamente cargado y el electrón negativamente cargado disminuye al incrementarse la distancia al núcleo. Electrones con los niveles de energía más altos existen en la capa más externa de un átomo y su ligazón a éste es relativamente holgada. Esta capa más alejada se conoce como capa de valencia y los electrones presentes en ella se llaman electrones de valencia.

 Los electrones de valencia contribuyen a las reacciones químicas y al enlace desarrollados dentro de la estructura de un material, y determinan las propiedades eléctricas de éste.

Niveles de energía y energía de ionización

Si un electrón absorbe un fotón que posea energía suficiente, escapa del átomo y se convierte en un electrón libre. Esto se indica mediante el nivel de energía de ionización mostrado en la figura

1-3. En todo momento que un átomo o grupo de átomos permanece con una carga neta se le conoce como ion. Cuando un electrón escapa del átomo de hidrógeno neutro (designado H), el átomo queda con una carga neta positiva y se convierte en un ion positivo (designado H+). En algunos casos,  un átomo o grupo de átomos puede adquirir un electrón, en cuyo caso se llama ion negativo.

El átomo de cobre

El cobre es el metal más comúnmente utilizado en aplicaciones eléctricas. El átomo de cobre tiene 29 electrones que orbitan el núcleo en cuatro capas. El número de electrones presentes en cada capa sigue un patrón predecible de acuerdo con la fórmula 2N2, donde N es el número de la capa.

La primera capa de cualquier átomo puede tener hasta 2 electrones, la segunda capa hacia arriba hasta 8 electrones, la tercera capa hacia arriba hasta 18 electrones, y la cuarta capa hacia arriba hasta 32 electrones.

La figura 1-2 ilustra un átomo de cobre. Advierta que la cuarta o más alejada capa, la capa de valencia, tiene sólo un electrón de valencia. Cuando el electrón de valencia presente en la capa más externa del átomo de cobre adquiere suficiente energía térmica, puede liberarse del átomo padre y convertirse en electrón libre. En un pedazo de cobre a temperatura ambiente, un “mar” de estos electrones libres está presente. Tales electrones no están ligados a un átomo dado sino que son libres de moverse en el material de cobre. Los electrones libres hacen del cobre un excelente conductor y posibilitan la corriente eléctrica.

El número de electrones presentes en cada capa sigue un patrón predecible de acuerdo con la fórmula

Donde N es el número de la capa.

CARGA ELÉCTRICA

Como se sabe, un electrón es la partícula más pequeña que exhibe carga eléctrica negativa. Cuando en un material está presente un exceso de electrones, existe una carga eléctrica negativa neta. Cuando hay deficiencia de electrones, existe una carga eléctrica positiva neta.

La carga de un electrón y la de un protón son iguales en magnitud. La carga eléctrica, una propiedad eléctrica de la materia que existe en virtud de exceso o deficiencia de electrones, es simbolizada mediante Q. La electricidad estática es la presencia de una carga positiva o negativa neta en un material. Todo mundo ha experimentado los efectos de la electricidad estática de vez en cuando, por ejemplo, cuando se intenta tocar una superficie metálica o a otra persona, o cuando las prendas de vestir puestas en una secadora se adhieren entre sí.

Los materiales con cargas de polaridad opuesta se atraen entre sí, y los materiales con cargas de la misma polaridad se repelen, como se muestra en la figura 2-5. Entre las cargas actúa una fuerza, evidenciada por la atracción o la repulsión. Esta fuerza, llamada campo eléctrico, se compone de líneas de fuerza invisibles, como indica la figura.

    

Qué es la corriente eléctrica?

 La corriente eléctrica es un movimiento de electrones. Así de simple, si movemos electrones de un átomo a otro, generamos corriente eléctrica. La cantidad de electrones que se mueven por segundo sería la Intensidad de la Corriente Eléctrica (I) y se mide en Amperios (A).

 Para generar corriente eléctrica necesitamos mover electrones de un átomo a otro por el interior de un material conductor, como por ejemplo el cobre. Un átomo cede un electrón a otro átomo próximo a él, dejando un hueco en el primero y así sucesivamente.

El sentido de los electrones es de la parte que está cargada negativamente (le sobran electrones) hacia la parte que esta con carga positiva (falta de electrones). Pero ojo el sentido de la corriente eléctrica en los circuitos se considera al revés, del positivo al negativo.

 ¿Cómo se Produce la Corriente Eléctrica?

 Los átomos de la materia o de los materiales están formados por protones con carga positiva, neutrones sin carga y electrones con carga eléctrica negativa.

 Los electrones están girando por la parte de fuera del átomo, en lo que se llaman órbitas. Estos electrones son precisamente los que producen el fenómeno de la corriente eléctrica. Tenemos que robar algún electrón de estos para producir corriente eléctrica.

Si de alguna forma le robamos un electrón al átomo de un material, este se quedará con un hueco. Cómo a los átomos no les gusta tener huecos, le robará un electrón al átomo de al lado y ahora será este último el que tendrá un hueco,por lo que le robará un electrón al que tiene a su lado y así sucesivamente. Si pudiéramos ver este fenómeno como en una película veríamos lo siguiente:

Nota: que a los átomos no les guste tener huecos significa que a los átomos no les gusta tener carga eléctrica. Los átomos son neutros eléctricamente, ya que la carga positiva de los protones anula a la de los electrones. Si le robamos un electrón, entonces tiene más protones y el átomo tendrá carga positiva. Lo que quiere decir que si tiene un hueco (carga positiva) le va a robar el electrón al de al lado para no tener carga, y este electrón robado pasará a estar en el hueco que había dejado el electrón robado.

 Nuestro problema es robar electrones para tener corriente eléctrica, o tener un cuerpo que le sobren electrones, otro que le falten y unirlos por un conductor, que será el camino por el que los electrones que sobran irán a donde hay falta de ellos.

 Entonces necesitamos tener un cuerpo con carga positiva (con átomos que le falten e-) a un lado y a otro lado un cuerpo con carga negativa (que le sobren e-). carga = potencial; potencial positivo y potencial negativo.   el cuerpo con carga positiva tiene huecos, el cuerpo con carga negativa exceso de electrones.

 Si ahora los unimos con un material conductor, es decir un material que por él pasen o se muevan los e- fácilmente, como es el caso del cobre, ya tenemos la solución.

Como puedes observar para generar la corriente eléctrica necesitamos una diferencia de carga, o lo que se llama "Diferencia de Potencial", que en tecnología se conoce con el nombre de "Tensión o Voltaje".

  Mientras mantengamos esa diferencia de potencial o tensión, tendremos corriente eléctrica. Precisamente los generadores eléctricos son lo que generan, o son capaces de mantener una tensión en sus bornes (extremos)

Un átomo es la partícula más pequeña de un elemento que conserva las características de dicho elemento. Cada uno de los 109 elementos conocidos tiene átomos que son diferentes de los átomos de todos los demás elementos. Esto da a cada elemento una estructura atómica única. Según el modelo básico de Bohr, en un átomo se visualiza como una estructura de tipo planetario que consta de un núcleo central rodeado por electrones que lo orbitan, tal como se ilustra en la figura El núcleo se compone de partículas cargadas positivamente y llamadas protones, así como de partículas no cargadas que se denominan neutrones. Las partículas básicas de carga negativa se llaman electrones.

Sesión 1.2

Sesión Nº. 1.2.   

CIRCUITOS  ELÉCTRICOS BÁSICO 

 

Conductores, aislantes y semiconductores

Los conductores son los materiales que permiten el paso de la corriente eléctrica, los  aislantes impiden el paso de la electricidad y los semiconductores son los que se pueden comportar como conductores o como aislantes.

 ¿Qué son los conductores?

Son los materiales que permiten el movimiento libre de electrones, por lo que se utilizan para crear circuitos eléctricos. Según esto, se puede decir que todos los materiales  o elementos que permiten que a través de ellos fluya la corriente o cargas eléctricas en movimiento se conocen como conductores.

Algunos de los metales más usados como conductores son el cobre, el oro, la plata, el aluminio y el hierro. Entre éstos, el cobre es el más común por ser relativamente económico y lo suficientemente bueno para cumplir su función, al igual que el aluminio.

El oro y la plata podrían considerarse como los mejores metales conductores; sin embargo, no es muy común su uso debido a su alto costo.

¿Qué son los aislantes?

Son los materiales que no permiten a los electrones circular libremente, por lo que hacen imposible el flujo de la corriente eléctrica.

Los aislantes se utilizan para cubrir un elemento conductor de electricidad, así puede resistir el paso de la corriente a través del elemento que alberga y mantenerlo en su desplazamiento.

Algunos materiales aislantes donde los átomos no ceden o reciben electrones son el vidrio, la  cerámica, el plástico, la mica, la goma, el papel, la madera, entre otros

También existen aislantes naturales, como el aire seco o el aceite mineral, y aislantes artificiales, como la baquelita, el cloruro de polivinilo o el poliéster.

Ejemplos de aislantes: caucho, madera, plástico, vidrio, corcho y otros.

¿Qué son los semiconductores?

Son los materiales que pueden presentar propiedades eléctricas de los conductores o de los aislantes, dependiendo de las características del contexto donde se encuentren. El campo eléctrico o magnético, la radiación, la presión y la temperatura del ambiente son algunos de los factores que determinan el comportamiento de los  semiconductores. Uno de los materiales semiconductores más empleados es el cristal de silicio. Es usado para fabricar diodos, transistores, circuitos integrados o los microprocesadores que utilizan las computadoras, entre otros.

Magnitudes eléctricas fundamentales

Las propiedades físicas fundamentales de la corriente eléctrica son tres:

· Intensidad

· Tensión

·  Resistencia

Intensidad de corriente - I

Como ya sabemos, la corriente eléctrica consiste en un flujo de electrones que van desde un punto con más carga negativa que otro. La intensidad depende del número de electrones que circulen en el  circuito.

La unidad empleada para su medida es el Amperio (A).

Cuando en un circuito se mueve una carga de 63 trillones de electrones (un culombio) en cada segundo, se dice que en el circuito circula una intensidad de un amperio (1 A). Esta unidad es grande, así que nosotros usaremos a menudo un

submúltiplo del amperio: el miliamperio (mA), equivalente a una milésima de amperio.

1 A = 1000 mA

1 mA = 0'001 A

Para medir esta magnitud se emplea el amperímetro.

Tensión eléctrica - E o V

Tensión eléctrica, voltaje o diferencia de potencial son tres nombres con los que nos referiremos a la diferencia de cargas eléctricas que existe entre los polos positivo y negativo del generador del circuito. Esta magnitud es indicativa de la cantidad de energía que será capaz de desarrollar la corriente de electrones, para una misma intensidad de corriente.

La unidad de medida es el voltio (V), y el elemento usado para medir su valor en un circuito se llama voltímetro.

Resistencia eléctrica - R

Es la oposición que presentan a la circulación de los electrones los distintos elementos intercalados en el circuito, incluido el conductor.

La unidad de medida es el ohmio (Ω).

Esta unidad es demasiado pequeña por lo que es frecuente encontrar múltiplos como el kiloohmio (KΩ), equivalente a 1000 Ω, y el megaohmio (MΩ), equivalente a 106 Ω.

Para medir la resistencia eléctrica de un elemento se utiliza el óhmetro.

¿Qué es un Circuito Eléctrico?

 "Un Circuito Eléctrico es un conjunto de elementos conectados entre si por los que puede circular una corriente eléctrica".

 La corriente eléctrica es un movimiento de electrones, por lo tanto, cualquier circuito debe permitir el paso de los electrones por los elementos que lo componen

Solo habrá paso de electrones por el circuito si el circuito es un circuito cerrado. 

Los circuitos eléctricos son circuitos cerrados, aunque podemos abrir el circuito en algún momento para interrumpir el paso de la corriente mediante un interruptor, pulsador u otro elemento del circuito.

Partes de un Circuito Eléctrico Básico.

 Los elementos que forman un circuito eléctrico básico son:

Generador: Producen y mantienen la corriente eléctrica por el circuito. Son la fuente de energía. 

Hay 2 tipos de corrientes:

 Corriente Continua  

 Pilas y Baterías: son generadores de corriente continua (c.c.)

Corriente  alterna 

 Alternadores: son generadores de corriente alterna (c.a.)

 Conductores : 

Es por donde se mueve la corriente eléctrica de un elemento a otro del circuito. Son de cobre o aluminio, materiales buenos conductores de la electricidad, o lo que es lo mismo que ofrecen muy poca resistencia eléctrica  a que pase la corriente por ellos. 

Receptores:

Son los elementos que transforman la energía eléctrica que les llega en otro tipo de energía. Por ejemplo las bombillas transforma la energía eléctrica en luminosa o luz, los radiadores en calor, los motores en movimiento, etc.

 Elementos de mando o control:

Permiten dirigir o cortar a voluntad el paso de la corriente eléctrica dentro del circuito. Tenemos interruptores, pulsadores, conmutadores, etc.