Transductores Eléctricos

CAPITULO 1 TRANSDUCTORES ELECTRICOS

1.1 CARGA Y CORRIENTE ELÉCTRICA

La electricidad es un fenómeno físico originado por cargas eléctricas estáticas o en movimiento y por su interacción. Cuando una carga se encuentra en reposo produce fuerzas sobre otras situadas en su entorno. La carga es la unidad fundamental de la energía eléctrica y se postula por definición que es indivisible. Si la carga se desplaza produce también fuerzas magnéticas. Hay dos tipos de cargas eléctricas, llamadas positivas y negativas. La electricidad está presente en algunas partículas subatómicas. La partícula fundamental más ligera que lleva carga eléctrica es el electrón, que transporta una unidad de carga. Los átomos en circunstancias normales contienen electrones, y a menudo los que están más alejados del núcleo se desprenden con mucha facilidad. En algunas sustancias, como los metales, proliferan los electrones libres. De esta manera un cuerpo queda cargado eléctricamente gracias a la reordenación de los electrones. Un átomo normal tiene cantidades iguales de carga eléctrica positiva y negativa, por lo tanto es eléctricamente neutro. La cantidad de carga eléctrica transportada por todos los electrones del átomo, que por convención son negativas, esta equilibrada por la carga positiva localizada en el núcleo. Si un cuerpo contiene un exceso de electrones quedará cargado negativamente. Por lo contrario, con la ausencia de electrones un cuerpo queda cargado positivamente, debido a que hay más cargas eléctricas positivas en el núcleo.

La unidad de carga es el coulomb denotado por la letra C, el electrón es la unidad de carga elemental y tiene un valor de e- = 1.602 x 10-19 C.

Corriente eléctrica es el flujo o movimiento de partículas cargadas en una dirección determinada, si la carga es transferida a razón de 1 coulomb por segundo se dice que la intensidad de la corriente es de 1 ampere. Como convención se ha tomado como sentido positivo de la corriente, el sentido de las cargas positivas. Esto se debe a que al principio de las investigaciones sobre electricidad se pensaba que la corriente viajaba de lo positivo hacia lo negativo, ahora sabemos que en los conductores metálicos la corriente es el movimiento de los electrones que son atraídos fuera de sus órbitas, contrario a lo que se había establecido, pero se optó por esta convención por ser la aceptada en los textos de análisis de circuitos.

Def. de Electricidad: es una forma de energía originado por el movimiento ordenado de electrones. La electricidad fluye mejor en algunos materiales que en otros, por ejemplo, le resistencia que un cable ofrece al paso de la corriente eléctrica depende y

seg

Electrones

seg

coulomb

Ampere

1

10246.

.1

1

1

28



se mide por su grosor, longitud y el metal con el que está hecho. A menor resistencia del material, mejor será la conducción de la electricidad en el mismo.

1.2 ENERGÍA, VOLTAJE Y POTENCIA

Para poder mover las cargas en un conductor de una forma ordenada, como una corriente eléctrica es necesario aplicar una fuerza externa llamada fuerza electromotriz (FEM), de esta manera se ejerce un trabajo sobre las cargas, entonces la diferencia de potencial o voltaje en un campo eléctrico es por definición; el trabajo o energía necesaria para mover una carga eléctrica de un punto a otro en contra o a favor de las fuerzas del campo donde esta se encuentra.

Como podemos observar el trabajo se encuentra en joule y la carga en coulombs, por lo tanto la tensión se encuentra en voltios. Un voltio corresponde al trabajo de 1 joules al desplazar 1 coulomb de carga de un punto a otro.

Las cantidades v e i son comúnmente funciones del tiempo, por lo tanto la potencia también es una cantidad variante en el tiempo, en algunos casos es llamada potencia instantánea porque su valor es la potencia en el instante en que se miden v e i.

En Física, potencia es la cantidad de trabajo efectuado por unidad de tiempo. Esto es equivalente a la velocidad de cambio de energía en un sistema o al tiempo empleado en realizar un trabajo.

Energía = Joules = Watts-hora

 Energía = Trabajo = Potencia x Tiempo

Así como se miden y se pesan las cosas que usamos o consumimos normalmente, también la energía eléctrica se mide en Watts-hora. El Watt es una unidad de potencia y equivale a un Joule por segundo. Para efectos prácticos, en nuestra factura de consumo de energía eléctrica se nos cobra por la cantidad de kiloWatts-hora (kWh) que hayamos consumido durante un periodo determinado (generalmente, dos meses). Un kiloWatt-hora equivale a la energía que consumen:

 Un foco de 100 watts encendido durante diez horas

 10 focos de 100 watts encendidos durante una hora

 Una plancha utilizada durante una hora

 Un televisor encendido durante veinte horas

 Un refrigerador pequeño en un día

 Una computadora utilizada un poco más de 6 horas y media

VIP

AmpereVoltsWatts

CorrienteVoltajePotencia

seg

Coulomb

Coulomb

Joules

seg

Joules

WattsP









1.3 CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES

Un átomo alcanza su estabilidad atómica cuando:

 Tiene ocho electrones de valencia o  Tiene su última órbita completa

Cuando alcanza su estabilidad atómica:  No tiene actividad eléctrica

 Se comporta como un aislante perfecto

Se pueden presentar tres casos dependiendo del número de electrones que tenga en su última capa de valencia:

Banda de Valencia: contiene a los electrones de valencia en forma natural.

Banda Prohibida: cantidad de energía que tiene que adquirir un electrón de valencia hacia la banda de conducción y convertirse en electrón libre.

Banda de Conducción: contiene a los electrones libres.

Electrón de Valencia: está ubicado en la órbita externa del átomo, está bajo la influencia de los protones del núcleo. Es retenido por el núcleo dentro de la banda de valencia.

Electrón libre: abandona la banda de valencia y puede salir y regresar al átomo libremente, brinca la banda prohibida alcanzando la banda de conducción.

 Conductores: Se dice que un cuerpo es conductor eléctrico cuando puesto en contacto con un cuerpo cargado de electricidad transmite ésta a todos los puntos de su superficie. Generalmente es un elemento metálico capaz de conducir la

Menos de 4 electrones Busca soltar sus pocos electrones para quedarse con su última órbita completa.

Buen conductor eléctrico.

Cuatro electrones

Es lo mismo soltar 4 electrones que buscar cuatro. Tiene uniones covalentes y estructura cristalina. Se comportan como aislantes

Semiconductor

Más de 4 electrones Buscan electrones para completar su última órbita.

Mal conductor eléctrico

electricidad cuando es sometido a una diferencia de potencial eléctrico. Para que ello sea efectuado eficientemente, se requiere que posea una baja resistencia para evitar pérdidas desmedidas por Efecto Joule y caída de tensión. Para el transporte de la energía eléctrica el metal empleado universalmente es el cobre en forma de cables de uno o varios hilos. Alternativamente se emplea el aluminio, metal que si bien tiene una conductividad eléctrica del orden del 60% de la del cobre es, sin embargo, un material mucho más ligero, lo que favorece su empleo en líneas de transmisión de energía eléctrica.

 Aislantes o dieléctricos: Se denomina dieléctricos a los materiales que no conducen la electricidad, por lo que pueden ser utilizados como aislantes. Algunos ejemplos de este tipo de materiales son el vidrio, la cerámica, la cera, el papel, la madera seca, la porcelana, algunas grasas para uso industrial y electrónico y la baquelita. Los dieléctricos se utilizan en la fabricación de condensadores, para que las cargas reaccionen.

La introducción de un dieléctrico en un condensador tiene las siguientes consecuencias:

1. Disminución del Campo eléctrico entre las placas del condensador.

2. Disminución de la diferencia de potencial entre las placas del condensador.

3. Aumento por tanto de la capacidad eléctrica del condensador.

Normalmente un dieléctrico se vuelve conductor cuando se sobrepasa el campo de ruptura del dieléctrico, es decir, si aumentamos mucho el campo eléctrico que pasa por el dieléctrico, convertiremos dicho material en un conductor.

Los dieléctricos más utilizados son el aire, el papel y la madera.

 Semi-Conductores. Un semiconductor es una sustancia que se comporta como conductor o como aislante dependiendo del campo eléctrico en el que se encuentre. Los elementos químicos semiconductores de la tabla periódica se indican en la tabla siguiente.

Elemento Grupo

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