Fundamentos de Electricidad y Electrónica: Energía, Materia y Circuitos Básicos
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Principios Fundamentales de la Energía Eléctrica
La energía, en el contexto eléctrico, no se crea ni se destruye, pero sí se transforma en otras formas de energía. Para obtener energía eléctrica, transformamos otras formas de energía. Para que un tipo de energía desarrolle un trabajo, es imprescindible que exista movimiento.
Estructura Atómica y Partículas
La materia se compone de átomos, que poseen las siguientes partículas fundamentales:
- Núcleo (esencialmente la masa del átomo): Compuesto por neutrones y protones (carga positiva, +).
- Órbita: Donde se encuentran los electrones (carga negativa, -).
La última capa de electrones de un átomo se denomina capa de valencia. Los electrones tienden a completar esta última capa para alcanzar la estabilidad.
Conductividad de los Materiales
La conductividad es una propiedad natural de los cuerpos que consiste en transmitir el calor o la electricidad.
Clasificación según la Conductividad
- Conductores: Materiales donde los electrones fluyen con facilidad (ejemplo: metales).
- Aislantes: Materiales donde los electrones fluyen con dificultad (ejemplo: vidrio, plástico).
- Semiconductores: Materiales cuya conductividad depende de las condiciones externas (ejemplo: Silicio y germanio).
Que un cuerpo o materia sea conductor, aislante o semiconductor depende fundamentalmente del tipo de enlace químico presente.
Configuración de Capas Electrónicas
La distribución máxima de electrones por capa es:
- 1ª capa: 2 electrones
- 2ª capa: 8 electrones
- 3ª capa: 18 electrones
- 4ª capa: 32 electrones
- 5ª capa: 32 electrones
Tipos de Enlaces Químicos
- Enlace Iónico: Se forma cuando los electrones se transfieren completamente de un átomo a otro. Ejemplo: Sal común ($\text{Na}^+ \text{Cl}^-$).
- Enlace Covalente: Se forma cuando dos átomos comparten uno o más pares electrónicos. Ejemplo: Plástico ($\text{C}_2\text{H}_2$).
- Enlace Metálico: Es el enlace químico que mantiene unidos los átomos, caracterizado por la unión entre los núcleos atómicos y los electrones de valencia, que se agrupan alrededor de estos como una nube electrónica. Ejemplo: Cualquier elemento metálico puro como la plata (Ag).
Nota sobre la dirección de la corriente: Realmente la corriente fluye del lado negativo al positivo, pero por convención histórica se sigue aceptando y representando el flujo del positivo al negativo.
Electricidad Estática (Ley de Coulomb)
La electricidad estática se define como la acumulación de cargas eléctricas en la superficie de un objeto. No se mueve respecto a la sustancia.
Medición de la Carga
La cantidad de electricidad con la que se carga una sustancia se denomina Coulomb (C) en el Sistema Internacional (SI).
- $1 \text{ Coulomb} = 6.3 \times 10^{18}$ electrones.
Estados de Carga
- Carga eléctrica positiva: Se produce por falta de electrones.
- Carga eléctrica negativa: Se produce por exceso de electrones.
Electricidad Dinámica y Parámetros de Circuito
La electricidad dinámica se puede manifestar de diferentes formas, como corriente continua (CC), corriente alterna (CA) o corriente pulsante.
Voltaje (Tensión)
El Voltaje ($V$) es la fuerza o presión a la que circula la electricidad. Para medirlo, utilizamos el voltímetro, conectándolo en paralelo con el resto del circuito.
Intensidad (Corriente)
La Intensidad ($I$) es la cantidad de electricidad que circula por un conductor en un tiempo determinado y depende principalmente del consumo del receptor.
- Para medirla, usaremos el amperímetro, conectándolo en serie con el resto del circuito.
- Definición: $1 \text{ Amperio} = 1 \text{ Coulomb} / \text{ segundo}$.
En el símil hidráulico, la intensidad sería análoga a la cantidad de agua que circula de un depósito a otro (caudal de electrones).
Resistencia
La Resistencia ($R$) es la dificultad u oposición que un conductor presenta al flujo de la corriente eléctrica.
- Se mide con el ohmnímetro.
- Para medir una resistencia, es necesario desconectarla físicamente del circuito.
Potencia
La Potencia ($P$) es la energía o trabajo consumido o producido por un circuito en un determinado tiempo. Su unidad de medida es el Vatio ($W$).