Antecedentes de la electricidad

Introducción

En este material instruccional se introducirá en forma sucinta los lineamientos básicos sobre corriente eléctrica. Se resalta el concepto de resistencia eléctrica y su vinculación con el efecto joule; el cual permitirá explicar la influencia del calor en la resistividad eléctrica de los materiales. La ley de ohm es abordada, y a partir de ella se introduce la noción de potencia eléctrica. Las leyes de Kirchhoff son expuestas y empleadas al enseñar el método de las mallas y el método de los nodos; asimismo, se esbozará la regla del derivador de corriente y la regla del divisor de tensión, ambas usadas en el análisis de circuitos eléctricos serie – paralelo. Muy someramente, se tocará el teorema de Thevenin, el teorema de superposición y el teorema de Norton. Al final, se ofrecerá una recopilación de algunos problemas que han formado parte de las evaluaciones de cohortes precedentes.

Al término de éste módulo, el estudiante tendrá la habilidad y pericia necesaria para aplicar los conceptos básicos de circuitos eléctricos en la resolución de problemas prácticos que involucren redes eléctricas en corriente continua.

Antecedentes históricos de la electricidad

Los antecedentes de la electricidad comienzan sobre el año 600 antes de Cristo en el país de Grecia en el que se acostumbraba a frotar un tipo de resina fósil llamada "electrón", pero más conocida como ámbar, con un trozo de tela, y tras lo cual, se conseguía atraer pequeñas partículas de polvo o de paja de poco peso.

Benjamin Franklin

Benjamin Franklin, famoso escritor y político de estados unidos, descubrió en 1752, con su exitoso experimento de la cometa unida a una llave de hierro, que existía cierto campo eléctrico similar al del ámbar 2300 años antes.Galvani y volta

El señor luigi galvani, famoso médico, descubrió que al poner en contacto un metal con una anca de rana muerta, ésta anca parecía cobrar vida y lograba realizar ciertos espasmos. Posteriormente, científicos como alessandro volta, en alusiones a este experimento, comprobaron que el secreto no estaba tanto en la rana, como en el metal, que bajo las condiciones adecuadas, transmitía cierta electricidad de igual modo que lo hacen los sistemas nerviosos de un animal.

Volta, fabricó la primera batería o pila, colocando dos trozos finos de cobre y de zinc, separados por una pasta húmeda. De este modo se conseguía una corriente eléctrica que al colocar un alambre en contacto con la pila, esta nueva energía podía ser trasladada y crear un chispazo o reanimar un anca de rana…

En honor a volta, se nombra desde entonces la unidad de potencia eléctrica como "voltio".

Materiales y conductividad eléctrica

La conductividad eléctrica es una medida de la capacidad de un material de dejar pasar la corriente eléctrica, su aptitud para dejar circular libremente las cargas eléctricas. La conductividad depende de la estructura atómica y molecular del material, los metales son buenos conductores porque tienen una estructura con muchos electrones con vínculos débiles y esto permite su movimiento. La conductividad también depende de otros factores físicos del propio material y de la temperatura.

Como sabemos existen materiales capaces de conducir la corriente eléctrica mejor que otros. Generalizando, se dice que los materiales que presentan poca resistencia al paso de la corriente eléctrica son conductores. Analógicamente, los que ofrecen mucha resistencia al paso de esta, son llamados aislantes. No existe el aislante perfecto y prácticamente tampoco el conductor perfecto.

Existe un tercer grupo de materiales denominados semiconductores que, como su nombre lo indica, conducen la corriente bajo ciertas condiciones.

También existe otro tercer tipo de materiales, que cambia en mayor o menor medida la característica de los anteriores, los semiconductores. Su característica principal es la de conducir la corriente sólo bajo determinadas circunstancias, y evitar el paso de ella en otras.

Es, precisamente, en este tipo de materiales en los que la electrónica de estado sólida está basada. La estructura atómica de dichos materiales presenta una característica común: está formada por átomos tetravalentes (es decir, con cuatro electrones en su última órbita), por lo que les es fácil ganar cuatro o perder cuatro.

Semiconductores

Un semiconductor es un componente que no es directamente un conductor de corriente, pero tampoco es un aislante. En un conductor la corriente es debida al movimiento de las cargas negativas (electrones). En los semiconductores se producen corrientes producidas por el movimiento de electrones como de las cargas positivas (huecos). Los semiconductores son aquellos elementos pertenecientes al grupo iv de la tabla periódica (silicio, germanio, etc. Generalmente a estos se le introducen átomos de otros elementos, denominados impurezas, de forma que la corriente se deba primordialmente a los electrones o a los huecos, dependiendo de la impureza introducida. Otra característica que los diferencia se refiere a su resistividad, estando ésta comprendida entre la de los metales y la de los aislantes.

Disposición esquemática de los átomos de un semiconductor de silicio puro, no existen electrones ni huecos libres la disposición esquemática de los átomos para un semiconductor de silicio podemos observarla en la figura de arriba, las regiones sombreadas representan la carga positiva neta de los núcleos y los puntos negros son los electrones, menos unidos a los mismos. 

La fuerza que mantiene unidos a los átomos entre sí es el resultado del hecho de que los electrones de conducción de cada uno de ellos, son compartidos por los cuatro átomos vecinos.A temperaturas bajas la estructura normal es la que se muestra en la figura de arriba en la cual no se observa ningún electrón ni hueco libre y por tanto el semiconductor se comporta como un aislante.

Estos cuatro electrones se encuentran formando uniones covalentes con otros átomos vecinos para así formal un cristal, que es la forma que se los encuentra en la naturaleza. Si esta estructura se encuentra a una temperatura muy baja o en el cero absoluto, el cristal tendrá tan poca energía que no hará posible la conducción eléctrica. Al aumentar la temperatura (a temperatura ambiente por ejemplo) ciertos electrones adquieren suficiente energía para romper el enlace del que forman parte y "saltar" al siguiente orbital. Esto provoca la formación de un espacio vacío, que por carencia de electrones, posee carga positiva, a este espacio se lo denomina hueco.El aumento de temperatura rompe algunas uniones entre átomos liberándose un cierto número de electrones.

En cambio, a la temperatura ambiente (20-25 grados c.) Algunas de las fuertes uniones entre los átomos se rompen debido al calentamiento del semiconductor y como consecuencia de ello algunos de los electrones pasan a ser libres. En la figura siguiente se representa esta situación. La ausencia del electrón que pertenecía a la unión de dos átomos de silicio se representa por un círculo,la forma en que los huecos contribuyen a la corriente, se detalla seguidamente cuando un electrón puede vencer la fuerza que le mantiene ligado al núcleo y por tanto abandona su posición, aparece un hueco, y le resulta relativamente fácil al electrón del átomo vecino dejar su lugar para llenar este hueco. 

Este electrón que deja su sitio para llenar un hueco, deja a su vez otro hueco en su posición inicial, de esta manera el hueco contribuye a la corriente lo mismo que el electrón, con una trayectoria de sentido opuesto a la de éste.

Niveles de energía

Un cristal está formado por un conjunto de átomos muy próximos entre sí dispuestos espacialmente de forma ordenada de acuerdo con un determinado patrón geométrico. La gran proximidad entre los átomos del cristal hace que los electrones de su última capa sufran la interacción de los átomos vecinos. El nivel energético de cada uno de estos electrones puede estar situado en la "banda de valencia" o en la "banda deconducción" del cristal. Un electrón que ocupe un nivel dentro de la banda de valencia está ligado a un átomo del cristal y no puede moverse libremente por él mientras que si el nivel ocupado pertenece a la banda de conducción, el electrón puede moverse libremente por todo el cristal, pudiendo formar parte de una corriente eléctrica.

Entre la banda de Valencia y la de conducción existe una "banda prohibida", cuyos niveles no pueden ser ocupados por ningún electrón del cristal. Según la magnitud de esta banda, los cristales pueden clasificarse en aislantes, conductores y semiconductores.

Aislantes.La magnitud de la banda prohibida es muy grande ( 6 ev ), de forma que todos los electrones del cristal se encuentran en la banda de valencia incluso a altas temperaturas por lo que, al no existir portadores de carga libres, la conductividad eléctrica del cristal es nula.

Un ejemplo es el diamante.

Conductores

No existe banda prohibida, estando solapadas las bandas de valencia y conducción. Esto hace que siempre haya electrones en la banda de conducción, por lo que su conductividad es muy elevada. Esta conductividad disminuye lentamente al aumentar la temperatura, por efecto de las vibraciones de los átomos de la red cristalina.

Un ejemplo son todos los metales.

Semiconductores.La magnitud de la banda prohibida es pequeña ( 1 ev ), de forma que a bajas temperaturas son aislantes, pero conforme aumenta la temperatura algunos electrones van alcanzando niveles de energía dentro de la banda de conducción, aumentando la conductividad. Otra forma de aumentar la conductividad es añadiendo impurezas que habiliten niveles de energía dentro de la banda prohibida.

El germanio y el silicio son semiconductores.

Aceptadores y donadores

se denomina semiconductor puro aquél en que los átomos que lo constituyen son todos del mismo tipo (por ejemplo de germanio), es decir no tiene ninguna clase de impureza. Si a un semiconductor puro como el silicio o el germanio, se le añade una pequeña cantidad de átomos distintos (por ejemplo arsénico, fósforo, etc). Se transforma en un semiconductor impuro.A las impurezas se las clasifica en donadoras y aceptadoras.Si a la estructura del semiconductor de silicio se le añade alguna impureza, como puede ser el arsénico (as), que tiene cinco electrones externos ligados al núcleo con carga positiva +5, se obtiene la forma que se muestra en la figura.

Ley de Jouley

Se conoce como efecto joule al fenómeno por el cual si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. El nombre es en honor a su descubridor, el físico británico james prescott joule.

El movimiento de los electrones en un cable es desordenado, esto provoca continuos choques entre ellos y como consecuencia un aumento de la temperatura en el propio cable.

Mediante la ley de joule podemos determinar la cantidad de calor que es capaz de entregar una resistencia, esta cantidad de calor dependerá de la intensidad de corriente que por ella circule y de la cantidad de tiempo que esté conectada, luego podemos enunciar la ley de joule diciendo que la cantidad de calor desprendido por una resistencia es directamente proporcional a la intensidad de corriente a la diferencia de potencial y al tiempo.

Los sólidos tienen generalmente una estructura cristalina, ocupando los átomos o moléculas los vértices de las celdas unitarias, y a veces también el centro de la celda o de sus caras. Cuando el cristal es sometido a una diferencia de potencial, los electrones son impulsados por el campo eléctrico a través del sólido debiendo en su recorrido atravesar la intrincada red de átomos que lo forma. En su camino, los electrones chocan con estos átomos perdiendo parte de su energía cinética, que es cedida en forma de calor.

La ley de Ohm

La ley de ohm establece que la intensidad eléctrica que circula entre dos puntos de un circuito eléctrico es directamente proporcional a la tensión eléctrica entre dichos puntos, existiendo una constante de proporcionalidad entre estas dos magnitudes. Dicha constante de proporcionalidad es la conductancia eléctrica, que es inversa a la resistencia eléctrica.La ley de ohm, postulada por el físico y matemático alemán georg simon ohm, es una de las leyes fundamentales de la electrodinámica, estrechamente vinculada a los valores de las unidades básicas presentes en cualquier circuito eléctrico como son:*tensión o voltaje (e), en volt (v).

*intensidad de la corriente (i), en ampere (a) o sus submúltipos.*resistencia (r) de la carga o consumidor conectado al circuito en ohm (), o sus múltiplos.

En enero de 1781, antes del trabajo de georg ohm, henry cavendish experimentó con botellas de leyden y tubos de vidrio de diferente diámetro y longitud llenados con una solución salina. Como no contaba con los instrumentos adecuados, cavendish calculaba la corriente de forma directa: se sometía a ella y calculaba su intensidad por el dolor. Cavendish escribió que la "velocidad" (corriente) variaba directamente por el "grado de electrificación" (tensión). Él no publicó sus resultados a otros científicos a tiempo, y sus resultados fueron desconocidas hasta que maxwell los publicó en 1879.

En 1825 y 1826, ohm hizo su trabajo sobre las resistencias, y publicó sus resultados en 1827 en el libro die galvanische kette, mathematisch bearbeitet (trabajos matemáticos sobre los circuitos eléctricos). Su inspiración la obtuvo del trabajo de la explicación teórica de fourier sobre la conducción del calor.

En sus experimentos, inicialmente usó pilas voltaicas, pero posteriormente usó un termopar ya que este proveía una fuente de tensión con una resistencia interna y diferencia de potencial casi constante. Usó un galvanómetro para medir la corriente, y se dio cuenta de que la tensión de las terminales del termopar era proporcional a su temperatura. Entonces agregó cables de prueba de diferente largo, diámetro y material para completar el circuito

Circuito eléctrico

Un circuito eléctrico es un conjunto de elementos que unidos de forma adecuada permiten el paso de electrones.

Está compuesto por:

• Generador o acumulador.

• Hilo conductor.

• Receptor o consumidor.

• Elemento de maniobra.

El sentido real de la corriente va del polo negativo al positivo. Sin embargo, en los primeros estudios se consideró al revés, por ello cuando resolvamos problemas siempre consideraremos que el sentido de la corriente eléctrica irá del polo positivo al negativo

Si no se cuentan con esos tres componentes, no se puede decir que exista un circuito eléctrico.

Los circuitos pueden ser simples, como el de una bombilla de alumbrado o complejo como los que emplean los dispositivos electrónicos.

El funcionamiento de un circuito eléctrico es siempre el mismo ya sea éste simple o complejo. El voltaje, tensión o diferencia de potencial (v) que suministra la fuente de fuerza electromotriz (fem) a un circuito se caracteriza por tener normalmente un valor fijo. En dependencia de la mayor o menor resistencia en ohm () que encuentre el flujo de corriente de electrones al recorrer el circuito, así será su intensidad en ampere (a). 

Conclusión

En este trabajo hemos tratado de analizar los conceptos de lo que significa circuito eléctrico, sobre cómo funciona este y cada una de sus partes. Logramos entender y aprender la importancia y el cuidado de este e identificar cada una de sus partes y como se produce un circuito.

Objetivos

Este trabajo se realizo con el fin de adquirir nuevos temas relacionados con la electricidad y la tecnología; obteniendo como resultado nuevos conocimientos sobre el circuito erétrico; comenzando por que un circuito eléctrico es una combinación de elementos conectados entre si, que generan y transporta electricidad,

Que podamos entender y aprender los puntos más importantes del circuito eléctrico como:

• Para que sirve este circuito

• Por que esta formado

• Identificar para que sirve cada parte y cada elemento de este.

• En que se clasifica

• Cuando una corriente es alterna o continua.

Bibliografía

Http://www.antecedentes.net/antecedentes-electricidad.html

Http://es.wikipedia.org/wiki/conductividad_el%c3%a9ctrica

Http://karencolio.tripod.com/ma.html

Http://stellaguerrero.blogspot.com/2009/04/ley-de-ohm-y-joule.html

Http://www.iesbajoaragon.com/~tecnologia/elec/cir_elec.htm

Autor:

Francisco Perez Velazquez