Electrotecnia y Circuitos Eléctricos
Una introducción completa a los principios esenciales de la electricidad, los elementos de circuito y las magnitudes eléctricas fundamentales.
Ph. D. Andrés Cela — Escuela Politécnica Nacional
ESTRUCTURA ATÓMICA
La materia y el átomo
Composición del átomo
Existen 109 118 elementos en la tabla periódica, y cada uno está compuesto fundamentalmente de átomos. Cada átomo está integrado por tres partículas subatómicas básicas: electrones (carga negativa), protones (carga positiva) y neutrones (sin carga).
El átomo es la unidad de materia más pequeña que conserva las propiedades características de un elemento químico. El modelo más utilizado en ingeniería para visualizar su estructura es el modelo de Bohr, que representa los electrones orbitando el núcleo en capas concéntricas de energía definida.
Modelo de Bohr: representación clásica del átomo con electrones en órbitas circulares alrededor del núcleo.
Una visión del átomo
Microscopia de efecto túnel (STM)
Resolución atómica de Grafito .- EPN. Dr. Henry Osorio
Tabla Periódica de los elementos
La capa de valencia y su importancia eléctrica
Cada átomo tiene un número fijo de protones y neutrones en su núcleo, mientras que la cantidad de electrones puede variar. Los electrones de valencia son aquellos que se encuentran en la capa más alejada del núcleo atómico.
Aunque poseen mayor energía que los electrones de capas internas, están menos ligados al núcleo, lo que significa que pueden liberarse con mayor facilidad ante la presencia de un campo eléctrico externo. Esta propiedad es la que determina si un material es conductor, semiconductor o aislante.
Imagen real del átomo de hidrógeno obtenida mediante microscopía cuántica. Se aprecian claramente las capas de probabilidad electrónica.
EL COBRE COMO CONDUCTOR
Diagrama del átomo de cobre (Cu): 29 protones, 34/36 neutrones y 29 electrones distribuidos en 4 capas. Su único electrón de valencia lo convierte en un excelente conductor.
1.1 Carga Eléctrica
La carga eléctrica es una propiedad intrínseca de la materia que se produce por la acumulación o ausencia de electrones en un material. Es la magnitud fundamental de la electricidad sobre la que se construyen todas las demás magnitudes eléctricas.
Carga del protón
Positiva. Se encuentra en el núcleo del átomo y no se desplaza libremente.
Carga del electrón
Negativa. Igual en magnitud al protón pero de polaridad inversa.
Ley de Coulomb
Cargas iguales se repelen; cargas opuestas se atraen. La unidad de Carga (Q) es el Culombio (C ).
Interacción: Repulsión — Atracción. Mismo signo se repelen. Signos opuestos se atraen.
Medida: 1 Culombio (C) = 6.25 X 10^(18) electrones. La interacción entre cargas eléctricas es la base del funcionamiento de todos los dispositivos eléctricos. Comprender cómo se atraen y repelen las cargas permite entender fenómenos como la corriente eléctrica, el campo eléctrico y el voltaje.
1.2 Voltaje (Tensión o F.E.M.)
El voltaje (V) es la diferencia en la energía potencial que existe entre dos puntos de un circuito una vez que las cargas positivas y negativas han sido separadas. Cuanto mayor es esta separación energética, mayor es el voltaje entre ambos puntos.
- Definición formal: El voltaje entre dos puntos A y B se define como el trabajo realizado por unidad de carga para mover una carga de prueba positiva desde B hasta A:
V = W / Q
donde W se mide en julios (J) y Q en culombios (C). También conocido como diferencia de potencial o Fuerza Electromotriz (F.E.M.), el voltaje se mide en Voltios (V) en honor a Alessandro Volta, inventor de la primera batería eléctrica en 1800.
SEPARACIÓN DE CARGAS
El voltaje como resultado del trabajo
Para producir la separación de cargas positivas y negativas es necesario suministrar energía en forma de trabajo (W). Esta energía puede provenir de distintas fuentes, como reacciones químicas en una batería o el movimiento de un conductor en un campo magnético en un generador.
Una analogía muy útil es la del depósito de agua: el nivel de agua en un recipiente elevado representa el potencial eléctrico alto, mientras que el recipiente vacío en la parte inferior representa el potencial bajo. La diferencia de altura entre ambos es análoga a la diferencia de voltaje.
Representación de la diferencia de potencial: una carga neutra tiene 0 V; la carga positiva alcanza +100 V y la negativa -100 V, resultando en una diferencia total de 200 V.
ALESSANDRO VOLTA
Voltaje: analogía hidráulica y origen del nombre
El voltaje toma su nombre del físico italiano Alessandro Volta (1745–1827), inventor de la pila voltaica, el primer dispositivo capaz de generar una corriente eléctrica continua mediante una reacción química. Su invento revolucionó la ciencia y la ingeniería eléctricas.
Observemos la siguiente analogía: el agua que fluye de un depósito lleno a uno vacío equivale al flujo de electrones impulsado por una diferencia de voltaje. El depósito más lleno representa el polo de mayor potencial (borne positivo), y el vacío el de menor potencial (borne negativo).
Analogía hidráulica del voltaje: el flujo de agua desde el depósito superior al inferior representa el movimiento de cargas impulsado por la diferencia de potencial eléctrico.
1.3 Corriente Eléctrica (I)
La corriente eléctrica, también llamada intensidad de corriente (I), es el movimiento ordenado de electrones a través de un medio conductor, impulsados por la energía proporcionada por el voltaje aplicado. La corriente se mide en amperios (A), en honor al físico André-Marie Ampère.
- Definición matemática: La corriente se define como la tasa de flujo de carga eléctrica a través de una sección transversal del conductor:, donde Q es la carga en culombios (C) y t el tiempo en segundos (s).
Un amperio equivale al flujo de un culombio de carga por segundo. Cuanto mayor sea el voltaje aplicado y menor la resistencia del conductor, mayor será la corriente que circula por el circuito (Ohm*).
Dirección de la corriente: convencional y real
Corriente convencional
Por convenio histórico (establecido antes de conocer la naturaleza del electrón), la corriente se define como el flujo de cargas positivas desde el polo positivo al negativo de la fuente, es decir, del potencial más alto al más bajo. Esta es la dirección utilizada en los esquemas de circuitos eléctricos.
Corriente real (electrónica)
Físicamente, los electrones (carga negativa) se mueven desde el polo negativo hacia el positivo, es decir, en sentido contrario a la corriente convencional. Ambas convenciones coexisten en la ingeniería eléctrica y es fundamental no confundirlas.
1.4 Potencia Eléctrica (P)
La potencia eléctrica (P) es la razón a la que un elemento entrega o absorbe energía en un intervalo de tiempo. Se mide en vatios (W), donde 1 vatio equivale a 1 julio por segundo.
Para un elemento resistivo, la potencia se calcula como el producto del voltaje por la corriente que lo atraviesa. Esta relación da lugar al conocido triángulo de la potencia:
P = V \times I
Potencia en función de voltaje y corriente.
V = P / I
Voltaje en función de potencia y corriente.
I = P / V
Corriente en función de potencia y voltaje.
☐ Un elemento entrega potencia cuando la corriente entra por su terminal negativo (actúa como fuente). Un elemento absorbe potencia cuando la corriente entra por su terminal positivo (actúa como carga).
E=mc^2
Comparación de consumo en dispositivos cotidianos
La potencia nominal de un dispositivo indica la cantidad de energía que consume o genera por unidad de tiempo. Cuanto mayor es la potencia, más energía consume el dispositivo en el mismo período. Veamos tres ejemplos cotidianos:
Bombilla incandescente
75 W — Consume 75 W de energía por cada segundo de funcionamiento. Mayormente convertida en calor.
Bombilla de bajo consumo
20 W — Produce la misma luminosidad que una de 75 W incandescente con menos del 30% de la energía.
Bombilla LED
10 W — Tecnología más eficiente. Misma luminosidad con tan solo el 13% de la energía de la incandescente.
DEFINICIÓN
1.5 Energía Eléctrica
La energía es la magnitud física que cuantifica la capacidad de producir trabajo (), ya sea de forma directa o indirecta. En el contexto eléctrico, la energía es el motor que hace funcionar todos los dispositivos que nos rodean.
1.1 Energía Eléctrica
La energía eléctrica (E o W) es la capacidad de producir trabajo mediante el movimiento de cargas eléctricas. En términos prácticos, la energía eléctrica permite el funcionamiento de una amplísima variedad de aplicaciones:
- El movimiento de motores eléctricos en industrias y electrodomésticos.
- El encendido de bombillas y sistemas de iluminación.
- El calentamiento mediante calefactores y resistencias eléctricas.
- El procesamiento de información en ordenadores y dispositivos electrónicos.
La relación entre energía, potencia y tiempo es fundamental:
E = P . t
donde E se mide en julios (J), P en vatios (w) y t en segundos (s).
Energía consumida y factura eléctrica
La energía consumida por un dispositivo se calcula como el producto de su potencia nominal por el tiempo de funcionamiento. En el contexto de la factura eléctrica, la unidad habitualmente utilizada es el kilovatio-hora (kWh), que equivale a la energía consumida por un dispositivo de 1 kW funcionando durante 1 hora.
La energía (en julios) es igual a la potencia (en vatios) multiplicada por el tiempo (en segundos).
Tarea: Revisar la facturación de luz de su hogar y traer para la siguiente clase.
Revisión:
