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Antecedentes de la electricidad



  1. Introducción
  2. Antecedentes históricos de la
    electricidad
  3. Materiales y conductividad
    eléctrica
  4. Semiconductores
  5. Niveles de energía
  6. Conductores
  7. Ley de
    Jouley
  8. La ley
    de Ohm
  9. Circuito eléctrico
  10. Conclusión
  11. Bibliografía

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.

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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

Para decir que existe un circuito eléctrico
cualquiera, es necesario disponer siempre de tres
componentes o elementos fundamentales:

Una fuente (e) de fuerza electromotriz
(fem), que suministre la energía eléctrica
necesaria en volt.

  • El flujo de una intensidad (i) de
    corriente de electrones en ampere.

  • Existencia de una resistencia o carga
    (r) en ohm, conectada al circuito, que
    consuma la energía que proporciona la fuente de
    fuerza electromotriz y la transforme en energía
    útil, como puede ser, encender una
    lámpara, proporcionar frío o calor, poner
    en movimiento un motor, amplificar sonidos por un
    altavoz, reproducir imágenes en una pantalla,
    etc.

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

 

Nota al lector: es posible que esta página no contenga todos los componentes del trabajo original (pies de página, avanzadas formulas matemáticas, esquemas o tablas complejas, etc.). Recuerde que para ver el trabajo en su versión original completa, puede descargarlo desde el menú superior.

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