MODULO 1 - LECCION 1: MATERIA ENERGIA ELECTRICIDAD Y SIMBOLOGIA
LECCIÓN 1 PARTE E
CORRIENTE ELÉCTRICA
Se ha demostrado que los electrones
(cargas negativas) se mueven a través de un conductor en respuesta a un campo
eléctrico. EL FLUJO CORRIENTE ELECTRÓNICO se utilizará a lo largo de esta
explicación. La corriente de electrones se define como el flujo dirigido de
electrones. La dirección del movimiento del electrón es desde una región de
potencial negativo a una región de potencial positivo. Por lo tanto, se puede
decir que la corriente eléctrica fluye de negativo a positivo La
dirección del flujo de corriente en un material está determinada por la
polaridad del voltaje aplicado. NOTA: En algunas comunidades eléctricas /
electrónicas, la dirección del flujo de corriente es reconocido como de
positivo a negativo.
P45.
Según la teoría de los electrones, una corriente eléctrica fluye de qué
potencial a qué potencial.
Deriva
aleatoria
Todos los materiales están compuestos
de átomos, cada uno de los cuales es capaz de ser ionizado. Si alguna forma de
energía, como el calor, se aplica a un material, algunos electrones adquieren
suficiente energía para pasar a un nivel superior de energía. Como resultado, algunos electrones
se liberan del átomo principal que luego se convierte en iones. Otras formas de
energía, particularmente la luz o un campo eléctrico, causarán la ionización.
El número de electrones libres
resultantes de la ionización depende de la cantidad de la energía aplicada a un material, así como a la
estructura atómica del material. A temperatura ambiente, algunos materiales,
clasificados como conductores, tienen abundancia de electrones libres. En
condiciones similares, materiales clasificados como aislantes tienen
relativamente pocos electrones libres.
En un estudio de corriente eléctrica,
los conductores son motivo de gran interés. Los conductores están formados por
átomos que contienen electrones débilmente unidos en sus órbitas externas.
Debido a los efectos del aumento de energía, estos electrones más externos con
frecuencia se separan de sus átomos y se desplazan libremente por todo el
material. Los electrones libres, también llamados electrones móviles, toman un
camino que no es predecible y derivan sobre el material de manera casual. En
consecuencia, dicho movimiento se denomina DERIVA ALEATORIA.
Es importante enfatizar que la deriva
aleatoria de electrones ocurre en todos los materiales. El grado de la deriva
aleatoria es mayor en un conductor que en un aislante.
Deriva
dirigida
Asociado con cada cuerpo cargado hay
un campo electrostático. Los cuerpos cargados por igual se repelen el uno al
otro y los cuerpos con cargas diferentes se atraen. Un electrón se verá
afectado por un campo electrostático exactamente de la misma manera que
cualquier cuerpo cargado negativamente. Es repelido por una carga negativa y
atraída por una carga positiva. Si un conductor tiene una diferencia de
potencial impreso en él, como se muestra en la figura 1-25, se imparte una
dirección a la deriva aleatoria. Esto
hace que los electrones móviles sean repelidos lejos del terminal negativo y
atraído hacia el terminal positivo. Esto constituye una migración general de
electrones de un extremo del conductor al otro. La migración dirigida de los
electrones móviles debido a la diferencia de potencial se denomina DESVIACIÓN
DIRIGIDA
.
Figura
1-25. —Desviación dirigida
El movimiento dirigido de los electrones
ocurre a una VELOCIDAD relativamente baja (velocidad de movimiento en una dirección
particular). Sin embargo, el efecto de este movimiento dirigido se siente casi
instantáneamente, como se explica en la figura 1-26. Como la diferencia de
potencial está impregnada en todo el conductor, el terminal positivo de la batería atrae
electrones del punto A. El punto A ahora tiene una deficiencia de electrones. Como
resultado, los electrones son atraídos desde el punto B al punto A. El punto B
ahora ha desarrollado una deficiencia de electrones, por lo tanto, atraerá
electrones. Este mismo efecto ocurre en todo el conductor y se repite desde los
puntos D a C. En el mismo instante, el terminal positivo de la batería atrajo
electrones del punto A, el terminal negativo repelió los electrones hacia el
punto D. Estos electrones son atraídos al punto D ya que cede electrones al punto C.
Este proceso es continuo mientras exista una diferencia de potencial a través
del conductor. Aunque un electrón individual se mueve muy lentamente a través
del conductor, el efecto de una deriva dirigida ocurre casi instantáneamente.
Cuando un electrón se mueve hacia el conductor en el punto D, un el electrón se
va en el punto A,esta acción
tiene lugar aproximadamente a la velocidad de una luz (186,000 millas por
segundo).
.
Q46.
Los efectos de la deriva dirigida tienen lugar ¿a qué velocidad?
Magnitud
del flujo de corriente
La corriente eléctrica se ha definido
como el movimiento dirigido de electrones. La deriva dirigida, por lo tanto, es
corriente y los términos se pueden usar indistintamente. La expresión deriva
dirigida es particularmente útil al diferenciar entre el movimiento aleatorio y dirigido de
electrones. Sin embargo, el FLUJO DE CORRIENTE es la terminología más
comúnmente utilizada para indicar un movimiento dirigido de electrones.
La magnitud del flujo de corriente
está directamente relacionada con la cantidad de energía que pasa a través de
un conductor como resultado de la acción de deriva. Un aumento en el número de
portadores de energía (los electrones móviles) o un aumento en la energía de
los electrones móviles existentes proporcionarían un aumento en flujo de
corriente. Cuando un potencial eléctrico se imprime a través de un conductor,
hay un aumento en la velocidad de los
electrones móviles provocando un aumento en la energía de los portadores.
También existe la generación de un mayor número de electrones que proporcionan
portadores adicionales de energía. El número adicional de electrones libres es
relativamente pequeño, por lo tanto, la magnitud del flujo de corriente depende
principalmente de la velocidad de los electrones móviles existentes.
La magnitud del flujo de corriente se
ve afectada por la diferencia de potencial de la siguiente manera. Inicialmente,
los electrones móviles reciben energía adicional debido al campo electrostático que repele y atrae. Si aumenta
la diferencia de potencial, el campo eléctrico será más fuerte, la cantidad de
energía impartida a un electrón móvil será mayor y aumentará la corriente. Si
la diferencia potencial disminuye, la intensidad del campo se reduce, la
energía suministrada al electrón disminuye y la corriente disminuye.
P47.
¿Cuál es la relación de corriente a voltaje en un circuito?
Medida
de corriente
La magnitud de la corriente se mide en
AMPERIOS. Se dice que fluye una corriente de un amperio cuando un culombio de
carga pasa por un punto en un segundo. Recuerde, un culombio es igual a la carga de
6.28 x 1018 electrones. Con frecuencia, el amperio es una unidad
demasiado grande para medir corriente. Por lo tanto, se usa el MILLIAMPERE
(mA), una milésima parte de un amperio, o MICROAMPERE (µA) una millonésima de ampere.
El dispositivo utilizado para medir la corriente se llama AMPERIMETRO y se
discutirá en detalle en un módulo posterior.
P48.
Convierta 350 mA a amperios.
RESISTENCIA
ELÉCTRICA
Se sabe que el movimiento dirigido de
electrones constituye un flujo de corriente. También se sabe que los electrones
no se mueven libremente a través de la estructura cristalina de un conductor.
Algunos materiales ofrecen poca oposición al flujo de corriente, mientras que
otros se oponen en gran medida al flujo de corriente. Esta oposición al flujo de
corriente es conocido como RESISTENCIA (R), y la unidad de medida es el OHM. El
estándar de medida para un ohm es la resistencia proporcionada a cero grados
Celsius por una columna de mercurio que tiene un área de sección transversal de
un milímetro cuadrado y una longitud de 106.3 centímetros. Un conductor tiene
un ohmio de resistencia cuando un potencial aplicado de un voltio produce una
corriente de un amperio. El símbolo utilizado para representar el ohmio es la
letra griega omega Ω
La resistencia, aunque es una
propiedad eléctrica, está determinada por la estructura física de un material.
La resistencia de un material se rige por muchos de los mismos factores que
controlan el flujo de corriente. Por lo tanto, en una discusión posterior, los
factores que afectan el flujo de corriente se utilizarán para ayudar en la
explicación de factores que afectan la resistencia.
P49.
¿Cuál es el símbolo de ohm?
Factores
que afectan la resistencia
La magnitud de la resistencia está
determinada en parte por el "número de electrones libres" disponibles
dentro del material. Dado que una disminución en el número de electrones libres
disminuirá el flujo de corriente, se puede decir que la oposición al flujo de
corriente (resistencia) es mayor en un material con menos electrones libres.
Por lo tanto, la resistencia de un material está determinada por el número de
electrones libres disponibles en un material.
Un conocimiento de las condiciones que
limitan el flujo de corriente y, por lo tanto, afectan la resistencia puede ser
usado para considerar cómo el tipo de material, las dimensiones físicas y la
temperatura afectarán la resistencia de un conductor
TIPO DE MATERIAL. Dependiendo de su
estructura atómica, diferentes materiales tendrán diferentes cantidades de
electrones libres. Por lo tanto, los diversos conductores utilizados en
aplicaciones eléctricas tienen diferentes valores de resistencia.
Considere una sustancia metálica
simple. La mayoría de los metales son de estructura cristalina y consisten en
átomos que están estrechamente vinculados en el enrejado de la de red. Los
átomos de tales elementos están tan juntos que los electrones en la capa externa del átomo
están asociados con un átomo tanto como con su vecino. (Ver figura 1-27 vista
A). Como resultado, la fuerza de unión de un electrón externo con un átomo
individual es prácticamente cero. Dependiendo del metal, al menos un electrón,
a veces dos, y en algunos casos, tres electrones por átomo existen en este
estado. En tal caso, una cantidad relativamente pequeña de energía electrónica liberaría a los electrones externos de la
atracción del núcleo. A temperatura ambiente normal los materiales de este tipo
tienen muchos electrones libres y son buenos conductores. Los buenos
conductores tendrán una baja resistencia.
Figura
1-27. — Espaciado
atómico en conductores.
Si los átomos de un material están más
separados, como se ilustra en la figura 1-27, vista B, los electrones en el las
capas externas no se unirán por igual a
varios átomos a medida que orbitan el núcleo. Serán atraídos solo por el núcleo
del átomo padre. Por lo tanto, se requiere una mayor cantidad de energía para
liberar cualquiera de estos electrones. Los materiales de este tipo son malos
conductores y, por lo tanto, tienen una alta resistencia.
La plata, el oro y el aluminio son
buenos conductores. Por lo tanto, los materiales compuestos de sus átomos tendrían
una baja resistencia.
El elemento cobre es el conductor más
utilizado en aplicaciones eléctricas. La plata tiene resistencia menor que el
cobre, pero su costo limita su uso a circuitos donde se requiere una alta
conductividad.
El aluminio, que es considerablemente
más liviano que el cobre, se usa como conductor cuando el peso es factor
importante
.
P50.
¿Cuándo se usaría la plata como conductor en lugar del cobre?
EFECTO DEL ÁREA TRANSVERSAL: El área
transversal afecta en gran medida la magnitud de la resistencia Si se aumenta
el área de la sección transversal de un conductor, se obtiene una mayor
cantidad de electrones disponible para su movimiento a través del conductor.
Por lo tanto, fluirá una corriente mayor para una cantidad dada de voltaje
aplicado. Un aumento en la corriente indica que cuando el área de la sección
transversal de un conductor es aumentada, la resistencia debe haber disminuido.
Si el área de la sección transversal de un conductor disminuye, el número de
electrones disponibles disminuye y, para un voltaje aplicado dado, la corriente
a través del conductor disminuye. Una disminución en el flujo de corriente
indica que cuando el área de la sección transversal de un conductor disminuye, la resistencia
debe haber aumentado. Por lo tanto, la RESISTENCIA DE UN CONDUCTOR ES
INVERSAMENTE PROPORCIONAL A SU ÁREA DE
SECCION TRANSVERSAL.
El diámetro de los conductores
utilizados en electrónica a menudo es solo una fracción de pulgada, por lo
tanto, el diámetro se expresa en milésimas de pulgada (milésimas de pulgada).
También es una práctica estándar asignar la unidad mil circular al área de la
sección transversal del conductor. El mil circular se encuentra al elevar al
cuadrado el diámetro cuando el diámetro se expresa en mils. Por lo tanto, si el
diámetro es de 35 mils (0.035 pulgadas),
el área circular mil es igual a (35) 2
o 1225 mils circulares. Una comparación entre un milímetro cuadrado y un
milímetro circular se ilustra en la figura 1-28.
Figura
1-28. —Mils circulares y cuadrados.
EFECTO DE LA LONGITUD DEL CONDUCTOR.- La longitud de un conductor también es un
factor que determina la resistencia de un conductor. Si se aumenta la longitud
de un conductor, la cantidad de energía entregada aumenta. A medida que los electrones libres se
mueven de un átomo a otro, parte de la energía se libera como calor. Cuanto más
largo es un conductor, más energía se pierde en calor. La pérdida de energía
adicional se resta de la energía que está transfiriéndose a través del conductor,
lo que resulta en una disminución en el flujo de corriente para un voltaje
determinado aplicado. Una disminución en el flujo de corriente indica un
aumento en la resistencia, ya que el voltaje se mantuvo constante. Por lo
tanto, si se aumenta la longitud de un conductor, aumenta la resistencia. LA
RESISTENCIA DE UN CONDUCTOR ES DIRECTAMENTE PROPORCIONAL A SU LONGITUD.
P51.
¿Qué cable tiene la menor resistencia? Alambre A-cobre, 1000 milésimas
circulares, 6 pulgadas de largo. Cable B-cobre, 2000 milésimas circulares, 11
pulgadas de largo.
P53.
¿Qué término describe un material cuya resistencia permanece relativamente
constante con cambios en temperatura?
CONDUCTANCIA
La electricidad es un estudio que se
explica con frecuencia en términos de opuestos. El término que es lo contrario de
resistencia es CONDUCTANCIA. La conductancia es la capacidad de un material
para dejar pasar electrones. Los factores que afectan la magnitud de la
resistencia son exactamente iguales para la conductancia, pero afectan la
conductancia de la manera opuesta. Por lo tanto, la conductancia es
directamente proporcional al área e inversamente proporcional a la longitud del
material. La temperatura del material es definitivamente un factor, pero
suponiendo un temperatura constante, se puede calcular la conductancia de un
material.
La unidad de conductancia es el MHO
(G), que es ohm escrito al revés. Recientemente el término mho ha sido re
designado SIEMENS (S). Mientras que el símbolo utilizado para representar la
resistencia (R) es la letra griega omega (Ω) el símbolo usado para representar
(G) es (S) .La relación existente entre resistencia (R) y conductancia (G) o
(S) es recíproca. Un recíproco de un número es uno dividido por ese número. En
términos de resistencia y conductancia:
P54.
¿Cuál es la unidad de conductancia y qué otro término se usa a veces?
P55.
¿Cuál es la relación entre conductancia y resistencia?
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