LA ELECTRICIDAD
Recordemos un poco la teoría atómica, los materiales de acuerdo con su comportamiento con la electricidad se clasifican en: conductores, semiconductores y aislantes. Los materiales están formados por elementos y estos a su vez por átomos, los que a su vez se subdividen en protones, neutrones y electrones, siendo éstos últimos los únicos que se pueden intercambiar y dar origen a lo que se conoce como corriente eléctrica, que no es otra cosa que el flujo de electrones que circulan a través de un conductor. Además, que la ley de las cargas establece que “las cargas iguales se repelen, mientras que las cargas diferentes se atraen”.
ELECTRICIDAD
La electricidad es un tipo de energía causada por los electrones.
CLASES DE ELECTRICIDAD
La electricidad se divide en:
Electricidad Estática: es producida cuando un cuerpo adquiere una carga eléctrica, que puede ser positiva si pierde electrones o negativa si gana electrones, con ella adquiere la propiedad de producir electricidad por un instante de tiempo con otro cuerpo. Ejemplo: Al tocar cosas hay situaciones en que se produce una pequeña corriente entre tu cuerpo y un objeto, también si frotas un bolígrafo de plástico con una franela, podrás con él atraer pequeños trocitos de papel, debido a que la fricción o rozamiento entre el bolígrafo y la franela permitirá que el bolígrafo se cargue eléctricamente y adquiera la propiedad de atraer objetos ligeros.
Electricidad dinámica: se refiere a la corriente eléctrica de la que hablamos al inicio del artículo, donde existe un flujo de electrones a través de un conductor.
La corriente eléctrica se clasifica en dos: corriente continua y corriente alterna, la continua no cambia su polaridad en el transcurso del tiempo
La corriente alterna como su nombre lo indica alterna entre dos polaridades (positiva y negativa). A la corriente continua también se la conoce como corriente directa ya que fluye en una sola dirección, a diferencia de la alterna que lo hace alternadamente en las dos posibles direcciones.
Como conocemos los electrones tienen carga negativa, los protones tienen carga positiva y los neutrones no tienen carga eléctrica, es importante conocer que las cargas opuestas se atraen y las iguales se repelen. La polaridad define la dirección de la corriente eléctrica, ya que depende del lugar donde se encuentra el polo positivo, la dirección en la que serán atraídos los electrones. Las fuentes de voltaje continuo tienen dos polos uno positivo y otro negativo, estas conservan su polaridad en el transcurso del tiempo, en las fuentes de voltaje alterno, no se puede hablar de polos porque la polaridad entre sus terminales varía en el transcurso del tiempo, se habla de terminales. Si el voltaje es continuo en el transcurso del tiempo, la corriente también lo será y si el voltaje es alterno la corriente es alterna.
FUENTES DE VOLTAJE CONTINUO
Existen fuentes de poder que se utilizan para alimentar circuitos que trabajan con corriente continua como es el caso de los circuitos de los sistemas digitales, estos se conectan a tomacorrientes como los que se encuentran en las casas o edificios, que proporcionan voltajes alternos de 110 o 220 Voltios (Voltios es la unidad de medida de voltaje) que no sirven para trabajar con sistemas que trabajan con corriente continua, por lo que se necesita convertir el voltaje alterno en voltaje continuo del valor con el que opera, que puede ser de 5 Voltios, 9 Voltios, 12 Voltios o cualquier otro, esta función la realiza una fuente de poder de voltaje continuo.
Otras fuentes de voltaje continuo son las conocidas pilas o baterías. En el mercado las pilas más comunes son las de 1.5 V (Voltios) que pueden ser de carbón, de níquel-cadmio o alcalinas, que son usadas en juguetes, radios u otros equipos electrónicos y las de mercurio de 1.33, 1.4 o 3 V que se utilizan en los relojes y calculadoras.
CORRIENTE CONTINUA
Como ya hemos definido la corriente continua no cambia su polaridad en el transcurso del tiempo y por esta razón solamente fluye en una sola dirección, también se la conoce como corriente directa y se la representa con las siglas CC y CD, pero en inglés es común utilizar la sigla DC (Direct Current). Cuando la corriente además de mantener la misma polaridad en el transcurso del tiempo mantiene el mismo valor, se trata de una corriente continua constante o estable, pero si se mantiene su polaridad y cambia su valor en el transcurso del tiempo, se trata de una corriente continua variable. Entonces, hay dos tipos de corriente continua: la constante y la variable (Fig. 3). Hay dos tipos de producción de corriente continua, las pilas y las fuentes de poder de voltaje continuo.
FUENTES DE VOLTAJE ALTERNO
Los tomacorrientes de las casas son fuentes de voltaje alterno, en nuestro país los terminales (neutro y fase) entregan una señal de voltaje alterno de 110 V y 60 Hz, de forma senoidal.
CORRIENTE ALTERNA
Recordemos que la corriente alterna se la denomina así porque alterna periódicamente entre dos posibles polaridades, por lo que la corriente fluye primero en una dirección y luego en la otra, debido al cambio en su polaridad. La siglas utilizadas para describirla son CA (Corriente Alterna) o en inglés AC (Alternate Current). La corriente que recibimos en los tomacorrientes de nuestras casas es de este tipo. Las características de la corriente alterna son las siguientes:
- Su Forma de Onda.- Esta puede ser de varias formas y depende del generador que las produce, las más conocidas son: la senoidal, la triangular, la diente de sierra y las cuadradas. (Fig. 4)
- La Amplitud.- Se refiere al valor máximo que alcanza la onda con respecto a su valor cero que es utilizado como referencia. (Fig. 5)
- El ciclo.- Es la parte de la onda que se repite y transcurre en un tiempo determinado. (Fig. 5)
- La Frecuencia.- Es la cantidad de ciclos que una onda se repite en el transcurso del tiempo. (Fig. 5)
En la figura 5, pasan tres ciclos durante un segundo, por la tanto esta es la frecuencia de la onda, 3 ciclos por segundo.
CORRIENTE ALTERNA SENOIDAL
La forma de onda más común es la seno o senoidal, ésta se encuentra presente en los tomacorrientes de nuestras casas, si recordamos nuestros conocimientos de trigonometría la onda seno parte desde cero y alcanza su valor máximo en 90°, luego cruza por 0 en 180°, llega a su valor mínimo en 270° y finalmente regresa a 0 en 360°, repitiéndose el ciclo nuevamente. Analicemos detenidamente las características de esta señal:
Como dijimos la amplitud de la onda se refiere al valor máximo que alcanza la onda con respecto a su valor cero que es tomado como referencia, en la onda seno la amplitud puede ser positiva o negativa, la primera se produce por la polaridad positiva que adopta la onda en un momento dado y la segunda por la negativa. En la corriente continua se puede hablar de dos polos o terminales, uno positivo y otro negativo, ya que estos no cambian en el transcurso del tiempo, pero en la alterna no, ya que en un instante de tiempo un terminal es positivo y en otro negativo, alternando periódicamente.
El ciclo de una onda es la parte que se repite periódicamente, en el caso de la onda seno la parte del primer ciclo estaría identificado desde que la onda parte de cero y llega por segunda vez a este valor. El ciclo de una onda seno se puede descomponer en dos mitades: un semiciclo positivo que sería desde que la onda parte de cero hasta el primer cruce por cero y un semiciclo negativo que se origina desde el primer cruce por cero hasta la segunda vez que toma el valor de cero. El tiempo que transcurre para que se produzca un ciclo completo se denomina período (T) y se lo mide en segundos. La frecuencia (f) es la cantidad de ciclos que ocurren en un período determinado y se lo mide en Hertz (Hz). Estas dos magnitudes se relacionan mediante la siguiente expresión matemática:
T = 1/f
Si se tiene una onda senoidal con una frecuencia de 4 Hz, ¿Cuál es su período T?
T = 1/f = 1/4 = 0.25 Segundos.
La forma de onda de una señal de corriente alterna senoidal es la siguiente:
i(t) = A Sen wt
Dónde:
i(t): Corriente en función del tiempo.
A: Amplitud.
w: Frecuencia angular.
t: tiempo.
Como podemos apreciar estas magnitudes son inversamente proporcionales entre sí. Ósea, mientras más grande es la frecuencia, más pequeño es el período y viceversa.
La expresión que relaciona la frecuencia angular (w) y la frecuencia lineal (f) es la siguiente:
w = 2πf
En la gráfica se tiene una función de corriente alterna i(t)=10 Sen 20(t), con los valores respectivos, donde se distingue la corriente de pico que se refiere a la amplitud máxima de corriente que alcanza la onda, hay dos: una corriente de pico positiva (Ip+) y otra corriente de pico negativa (Ip-). La corriente de pico a pico (Ipp) es igual a la suma de los valores absolutos de las dos corrientes de pico.
VOLTAJE ALTERNO SENOIDAL
Al igual que la corriente, la forma de onda más común es la senoidal y está presente en los tomacorrientes de las casas, su forma de onda puede ser representada con la siguiente expresión:
V(t) = A Sen wt
Dónde:
V(t): Voltaje en función del tiempo.
A: Amplitud.
w: Frecuencia angular.
t: tiempo.
Valores de voltaje pico y pico a pico
En la gráfica se tiene una función de voltaje alterno V(t)=15 Sen 10(t), con los valores respectivos, donde se distingue el voltaje de pico que se refiere a la amplitud máxima de voltaje que alcanza la onda, hay dos: uno voltaje de pico positiva (Vp+) y otro voltaje de pico negativo (Vp-). El voltaje de pico a pico (Vpp) es igual a la suma de los valores absolutos de los dos voltaje picos, gráficamente es la distancia entre el voltaje pico positivo y el negativo.
Valores efectivos o RMS
Los valores de voltaje y corriente que miden los equipos de medición son los valores efectivos o RMS (Root Mean Square – Raíz Media Cuadrática), también llamados valores cuadráticos medios. Un valor en RMS de una corriente es el valor, que produce la misma disipación de calor que una corriente continua de la misma magnitud. Un amperio de corriente alterna (c.a.) produce el mismo efecto térmico que un amperio de corriente directa (c.d.), por esta razón se utiliza el término “efectivo”. El valor efectivo de una onda alterna senoidal se determina multiplicando su valor máximo por 0.707. De manera similar, un valor de voltaje RMS, es aquel que provoca la misma disipación de potencia que un voltaje de corriente continua de la misma magnitud aplicada durante un minuto. El voltaje RMS es el voltaje útil o aprovechable, al igual que el valor de corriente RMS, que es la corriente útil y aprovechable.
Para obtener el voltaje rms, se utiliza la siguiente expresión:
Vrms = 0.707 x Vp
Dónde:
Vrms: Voltaje rms.
Vp: Voltaje de pico.
Para obtener la corriente rms, se utiliza la siguiente expresión:
Irms = 0.707 x Ip
Donde:
Irms: Corriente rms.
Ip: Corriente de pico.
Los valores RMS son los medidos por el multímetro que es el equipo que se utiliza para medir voltaje y corriente alterna. Con el osciloscopio se puede ver en forma gráfica las señales alternas de voltaje y corriente, con ellos podemos medir los valores pico y pico a pico.
Valores promedio
El valor promedio de una onda senoidal es cero, por ello se utiliza el valor del semiciclo positivo, las expresiones para los valores promedios de voltaje y corriente son los siguientes:
Para el voltaje promedio:
Vm = 0.637 x Vp
Dónde:
Vm: Valor medio o promedio.
Vp: Voltaje de pico.
Para la corriente promedio:
Im = 0.637 x Ip
Dónde:
Im: Corriente media o promedio.
Ip: Corriente de pico.
PILAS Y BATERÍAS
El Físico Italiano Alessandro Volta fue el inventor de la Pila, el cual lo anunció en el año 1800 ante la Royal Society de Inglaterra, basándose en los descubrimientos realizados por Galvani, otro científico italiano que experimento con tejidos de animales y observó que al ponerlos en contacto con dos metales diferentes se contraían. Volta experimentó con una pila fabricada con dos láminas: una de plata y otra de zinc, sumergidas en una solución salina, logró conectar varias pilas en serie y obtener mayores voltajes. Mediante una pila voltaica (llamada así en honor a su inventor) se logró descomponer el agua en sus dos elementos Hidrógeno y Oxígeno mediante un proceso conocido como Electrólisis. En esta parte vamos a conocer sobre las pilas, sus características, tipos y formas de conexión. También hablaremos de las baterías, que no son otra cosa que la unión de varias pilas para producir mayores voltajes o corrientes.
PILAS
Una pila también llamada celda básica, es el principal elemento de producción de corriente continua, recordemos que ésta es aquella que no cambia su polaridad en el transcurso del tiempo y por lo tanto la corriente fluye en una sola dirección. Las pilas básicamente están formadas por dos placas metálicas de diferentes polaridades (una positiva y otra negativa), sumergidas en una solución química o electrolito; en la placa o terminal negativo se acumulan los electrones en exceso, mientras que en el positivo hay una deficiencia de ellos, creándose una diferencia de potencial o voltaje entre las placas o terminales, el mismo que se utiliza para suministrar de corriente eléctrica a los circuitos electrónicos. En conclusión, una pila almacena energía en forma química, la cual se libera en forma de energía eléctrica al establecerse un circuito cerrado con ella.
Las principales características eléctricas de una pila son:
- El voltaje o tensión nominal, el cual viene marcado en su empaque y depende su fabricación.
- La capacidad de suministro de energía, expresada en miliamperios / hora o Amperios / hora y que indica el tiempo que puede suministrar una determinada cantidad de corriente.
- El voltaje con carga y la resistencia interna, los cuales están relacionados entre sí, debido a que los conductores de una pila no son perfectos y presentan una pequeña resistencia al paso de la corriente eléctrica, la misma que aumenta con el tiempo y la temperatura ambiente. Por esta razón, a medida que pasa el tiempo la pila ya no genera el mismo valor inicial, lo cual puede ser comprobado midiendo el voltaje con un voltímetro al momento de comprar una pila y en el momento que la pila ya no sirve, se notará que si antes entregaba 5 voltios, después entregará un valor inferior de 1.26 voltios por ejemplo, el cual ya no sirve para alimentar el equipo electrónico que antes hacía funcionar.
TIPOS DE PILAS
Las pilas se dividen en dos grupos: primarias y secundarias. Las pilas primarias no se pueden recargar, mientras que las secundarias sí.
PILAS PRIMARIAS
Las principales son:
- Pila de Zinc – Carbón (Pila Seca).
- Pila de Zinc – Bióxido de Manganeso (Alcalina).
- Pila de Mercurio.
- Pilas de Litio.
- Pilas solares o de estado sólido.
Pila de Zinc – Carbón
Está formada por una placa negativa de Zinc, una positiva de carbón y una solución química de sal de amoníaco y cloruro de zinc, distribuidos en un empaque cilíndrico. La solución química (electrolito) es seca y está impregnada en un medio absorbente; por esta razón, también se las conoce como pilas secas. Es la más económica, más abundante y por ende la más usada, es muy común en juguetes y otros equipos electrónicos. Producen 1.5 V, vienen en varios tamaños (AAA, AA, C y D), mientras más grande es, produce mayor corriente en un período de tiempo.
Pila de Zinc – Dióxido de Manganeso (Alcalina)
Fue inventada por Thomas Alva Edison en 1901, es similar a la de Zinc - Carbón, está formada por una placa negativa de dióxido de Manganeso (cátodo), como placa positiva Zinc en polvo (ánodo) y como electrolito Hidróxido de Potasio (solución alcalina, de allí su nombre), su ventaja es la de producir mayor corriente en un tiempo largo, unas 10 veces más que las de Zinc - Carbón, son más costosas que las secas, pero pueden reemplazarlas en los juguetes y equipos electrónicos donde éstas se utilizan, con una mayor eficiencia.
Pilas de Mercurio
Tienen la apariencia de pastillas, son muy utilizadas en relojes, calculadoras y computadoras, entregan aproximadamente de 1.33 a 1.4 voltios, no son recargables. Se las denomina así, porque su placa negativa es de óxido de mercurio, mientras que la positiva es de Zinc, se utiliza hidróxido de potasio como solución química.
En las computadoras se utilizan pilas de litio de 3V, las cuales también tienen forma de pastillas, pero producen tres veces más energía que las pilas alcalinas. También hay algunas en empaque cilíndrico como la mostrada a la derecha de la imagen.
Pilas Solares
Las pilas de estado sólido o pilas solares, están aumentando debido a que pese a que su rendimiento es muy bajo, una vez instalada la energía que se produce no cuesta nada. Estas convierten la energía solar en energía eléctrica, hay de dos tipos: de Selenio o de Silicio, dependiendo de su tipo, se obtiene un rango de voltaje y corriente. Generalmente se conectan muchas en serie y paralelo, para obtener mayores valores de voltaje y corriente. Son muy útiles en lugares apartados donde no se tiene fácil acceso a la energía eléctrica.
PILAS SECUNDARIAS
Una de las más comunes es la Pila de Níquel – Cadmio.
Pila de Níquel - Cadmio
Está formada por una placa negativa de cadmio metálico, una positiva de hidróxido de níquel y como electrolito hidróxido de potasio. Su ventaja principal es que algunas se pueden recargar hasta mil veces, son muy utilizadas en equipos portátiles de radiocomunicaciones, se encuentran en tamaños comunes y formas especiales, una sola celda produce 1.25 voltios.
El empaque de una pila comercial y el símbolo utilizado en los diagramas eléctricos y electrónicos se muestra en la imagen.
CONEXIÓN DE PILAS EN SERIE
Las pilas se pueden conectar en serie, para obtener un mayor voltaje en los terminales de la pila resultante, ya que el voltaje en las pilas en serie se suma, mientras la corriente permanece igual. Para conectar pilas en serie, se conecta el terminal positivo de la una con el negativo de la siguiente y así sucesivamente hasta terminar con todas las pilas que intervienen en este tipo de conexión.
CONEXIÓN DE PILAS EN PARALELO
Las pilas se pueden conectar en paralelo, para obtener una mayor corriente en los terminales de la pila resultante, ya que la corriente en las pilas en paralelo se suma, mientras que el voltaje permanece igual. Para conectar pilas en paralelo, se conectan todos los terminales positivos de las pilas que intervienen en la conexión a un mismo punto, de la misma manera todos los negativos a un mismo punto.
CONEXIÓN DE PILAS EN SERIE PARALELO
Se pueden combinar conexiones en serie y paralelo de pilas, con la finalidad de aumentar el voltaje entre las pilas conectadas en serie y aumentar la corriente entre las pilas conectadas en paralelo.
BATERÍAS
Es la conexión de varias pilas o celdas básicas, debido a que estas solas proporcionan un voltaje o corriente muy bajo, que muchas veces es insuficiente para alimentar circuitos electrónicos. Uniendo varias pilas en serie y/o paralelo se obtienen baterías, las más comunes en el mercado son las de 9 voltios, las de computadoras portátiles y las de plomo – ácido de 6, 12 y 24 voltios. Estas últimas son las más usadas, ya que se las utiliza en automóviles debido a la gran cantidad de corriente que pueden suministrar, muchas veces se las suele llamar acumuladores. Otras muy usadas debido al avance de la tecnología son las de sistemas de alarmas y las de celulares.
Las baterías de 9 V, se las utiliza mucho en juguetes, equipos portátiles como relojes, calculadoras, linternas, radioteléfonos, entre otros. En la figura se muestra una batería de 9 Voltios y el símbolo utilizado en diagramas eléctricos y electrónicos.
Si abrimos las baterías de computadoras portátiles, encontraremos que en su interior se encuentran conectadas 6 pilas de litio de 1.8 voltios que conectadas en serie entregan 10.8 V (6 pilas de Li-ion * 1.8 = 10.8). La batería de la imagen es de 44 Wh (vatios / hora), indica la potencia que puede suministrar la batería por hora.
Como ya lo dijimos, otras baterías bastante comunes que encontramos en el mercado son: las de automóviles, sistemas de alarmas y de celulares.
Las baterías al igual que las pilas pueden conectarse en serie, paralelo y serie – paralelo. Si se las conecta en serie se obtiene un mayor voltaje, si se las conecta en paralelo se obtiene una mayor corriente y en serie – paralelo mayor voltaje y corriente.
Las baterías también se clasifican en: baterías primarias (no se pueden recargar) y baterías secundarias (sí se pueden recargar).
FLUJO DE ELECTRONES
Según lo tratado el sentido del flujo de electrones se define por la polaridad de la fuente que alimenta el circuito. Se consideran dos tipos de flujos de electrones, estos son el real y el convencional, pero antes de explicar cada uno de ellos, recordemos la ley de las cargas eléctricas, que expresa lo siguiente: “cargas eléctricas diferentes se atraen y cargas iguales se repelen (rechazan)”. Por nuestros conocimientos básicos de química sabemos que las cargas eléctricas en un átomo son el electrón que tiene carga negativa y el protón que tienen carga positiva, debido a que los electrones son más livianos y se encuentran en órbitas que giran alrededor del núcleo, son las partículas que participan en el flujo de la corriente eléctrica.
De acuerdo a la ley de cargas:
- Un protón repele a otro protón.
- Un electrón repele a otro electrón.
- Un protón atrae a un electrón y viceversa.
FLUJO REAL
En el flujo real se toma en consideración el desplazamiento de los electrones desde el terminal negativo hacia el positivo, debido a que de acuerdo a la ley de cargas eléctricas los electrones que se encuentran en el terminal negativo son atraídos por el positivo.
FLUJO CONVENCIONAL
En el flujo convencional se toma en consideración el desplazamiento de los protones desde el terminal positivo hacia el negativo, debido a que de acuerdo a la ley de cargas eléctricas los protones que se encuentran en el terminal positivo son atraídos por el negativo. Pero esto es sólo CONVENCIONAL, ya que las cargas que intervienen en la transferencia eléctrica son los electrones y no los protones. Este flujo surgió debido a que Benjamín Franklin en el año de 1950 planteó su teoría del fluido de la electricidad, visualizando a ésta como un fluido invisible en el que llegó a la conclusión que el fluido eléctrico circulaba del positivo al negativo, este fue un hecho muy importante que sirvió para que se originaran gran cantidad de fórmulas y conceptos basados en este flujo convencional, hasta que en 1987 Joseph J. Thomson descubrió el electrón y demostró que tenía carga negativa. Actualmente se mantiene el flujo convencional, debido a que este conserva los fundamentos matemáticos de 200 años de desarrollo en la teoría de circuitos y además utilizando cualquiera de los dos flujos que aunque son contrarios nos llevan a las mismas respuestas.
Fuente:
Manual Varitek # 1, 2013, Alex Xavier Arellano Silva, Erick Wilfred Arelllano Silva y Holger Manuel Naranjo Pérez.