1º conceptos básicos

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CIRCUITOS ELÉCTRICOS Ing . Juan J. Nina Charaja CIP 99002 [email protected] Docente de Ingeniería Mecánica UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA

PRIMERA UNIDAD “CONCEPTOS BÁSICOS”:

PRIMERA UNIDAD “ CONCEPTOS BÁSICOS”

ESTRUCTURA DEL ÁTOMO:

ESTRUCTURA DEL ÁTOMO En todos los átomos neutros el números de electrones es igual al número de protones. Distintos átomos tendrán diferente numero de electrones dentro de las capas concéntricas al Rededor del núcleo. La primera capa que es la mas cercana puede tener 2 electrones, si llegara tener tres Electrones, el tercer electrón deberá ir a la siguiente capa. La segunda capa debe tener un máximo de 8 electrones, la tercera, 18; y la cuarta, 32; según Lo determina la ecuación , donde n es el número de la capa.

ESTRUCTURA DEL ÁTOMO:

Las capas por lo regular se simbolizan por las letras (n= k,l,m , … ) Cada capa se divide a su ves en subcapas, donde la primera subcapa puede contener hasta un máximo de 2 electrones; la segunda subcapa, 6 electrones; la tercera, 10 electrones; y la cuarta, 14 electrones. Las subcapas de simbolizan mediante las letras s, p, d , y f. En ese orden hacia el exterior. ESTRUCTURA DEL ÁTOMO Por experimentación sabemos que las cargas distintas se atraen y las cargas iguales se repelen.

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ESTRUCTURA DEL ÁTOMO de COBRE

CARGA ELÉCTRICA:

CARGA ELÉCTRICA

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CORRIENTE ELÉCTRICA

CORRIENTE ELÉCTRICA:

CORRIENTE ELÉCTRICA

CORRIENTE ELÉCTRICA:

CORRIENTE ELÉCTRICA

¿Qué es la corriente eléctrica?:

¿Qué es la corriente eléctrica? La corriente eléctrica es simplemente la circulación de electrones y los efectos que producen en el conductor y en el entorno El electrón es una partícula ligera que orbita en los átomos y transporta la unidad de carga. Un átomo que tenga más electrones orbitando que protones en el núcleo, tiene carga negativa. La acumulación de átomos con carga del mismo tipo hace que esa materia esté cargada y que en sus proximidades ocurran fenómenos electrostáticos Los electrones más alejados del núcleo pueden desligarse del mismo y circular entre los átomos del cuerpo, como sucede en los metales, dando lugar a la corriente eléctrica. Ing. Juan Jose Nina Ch. Las cargas eléctricas quietas dan lugar a fenómenos electrostáticos y las cargas en movimiento a la corriente eléctrica y el electromagnetismo .

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SEGURIDAD

VOLTAJE:

VOLTAJE

VOLTAJE:

VOLTAJE

VOLTAJE:

VOLTAJE

FUENTES DE VOLTAJE FIJOS cd:

FUENTES DE VOLTAJE FIJOS cd

BATERIAS:

BATERIAS

BATERIA de ACIDO PLOMO:

BATERIA de ACIDO PLOMO

BATERIA:

BATERIA

BATERIAS:

BATERIAS

CONDUCTORES:

CONDUCTORES Ing. Juan Jose Nina Ch. Como ya dijimos en la sección anterior, los átomos se combinan para formar compuestos; así cuando varios átomos se reúnen para formar ciertos sólidos, como los metales por ejemplo, los electrones de las órbitas más alejadas del núcleo no permanecen unidos a sus respectivos átomos, y adquieren libertad de movimiento en el interior del sólido. Estas partículas se denominan electrones libres. Por tanto, en materiales que poseen electrones libres es posible que la carga eléctrica sea transportada por medio de ellos, y por lo tanto, decimos que estas sustancias son " conductores eléctricos". Son  los metales como el cobre (Cu), aluminio (Al), plata (Ag), mercurio (Hg) y oro (Au). Pero debemos aclarar que no solo los metales son conductores ; algunos líquidos tam bién lo son. Dejemos el caso obvio de los metales líquidos a temperatura ambiente como el mercurio. Algunos líquidos compuestos como los ácidos, las bases y las sales disueltas (como el agua salada) son conductores , aunque no tan buenos como los metales. También existen sólidos conductores como por ejemplo el grafito (El grafito es capaz de conducir la electricidad, debido a la deslocalización de los electrones π sobre y debajo de los planos de los átomos de carbono. Estos electrones tienen libertad de movimiento, por lo que son capaces de conducir la electricidad.) Los conductores tienen 1 electrón de valencia

CONDUCTORES:

CONDUCTORES Los materiales conductores ofrecen una baja resistencia al paso de la corriente eléctrica Ing. Juan Jose Nina Ch.

TABLA DE CALIBRES DE CONDUCTORES:

TABLA DE CALIBRES DE CONDUCTORES

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TABLA DE CALIBRES DE CONDUCTORES

El calibre de los conductores tiene que estar sometido a ciertas condiciones de uso como la cantidad de corriente que puedan transportar. Para esto se tiene en cuenta la siguiente tabla::

El calibre de los conductores tiene que estar sometido a ciertas condiciones de uso como la cantidad de corriente que puedan transportar. Para esto se tiene en cuenta la siguiente tabla: Ing. Juan Jose Nina Ch. En el sistema AWG (American Wire Gauge), es mediante un número, los números mas altos hacen referencia a los calibres más delgados, y los números mas bajos, a los calibres mas gruesos.

AISLANTES:

AISLANTES Ing. Juan Jose Nina Ch. Al contrario de los conductores eléctricos, existen materiales en los cuales los electrones están firmemente unidos a sus respectivos átomos; es decir, estas sustancias no poseen electrones libres. Por tanto, no será posible el desplazamiento de carga eléctrica libre a través de estos cuerpos, los que se denominan "aislantes eléctricos" o "dieléctricos. A diferencia de los cuerpos metálicos buenos conductores de la corriente eléctrica, existen otros como el aire, la porcelana, el cristal, la mica, la ebonita, las resinas sintéticas, los plásticos, etc., que ofrecen una alta resistencia a su paso. Esos materiales se conocen como aislantes o dieléctricos. Como ya conocemos, ni los átomos de silicio, ni los de germanio en su forma cristalina ceden ni aceptan electrones en su última órbita; por tanto, no permiten la circulación de la corriente eléctrica, por tanto, se comportan como materiales aislantes. Los aislantes tienen 8 electrones de valencia

AISLANTES:

Ing. Juan Jose Nina Ch. AISLANTES Los cuerpos aislantes ofrecen una alta resistencia al paso de la corriente eléctrica En los materiales aislantes, la banda de conducción se encuentra prácticamente vacía de portadores de cargas eléctricas o electrones, mientras que la banda de valencia está completamente llena de estos. la “banda prohibida”, cuya misión es impedir que los electrones de valencia, situados en la última órbita del átomo, se exciten y salten a la banda de conducción. La energía propia de los electrones de valencia equivale a unos 0,03 eV ( electronvolt ) aproximadamente, cifra muy por debajo de los 6 a 10 eV de energía de salto de banda ( Eg ) que requerirían poseer los electrones para atravesar el ancho de la banda prohibida en los materiales aislantes.

SEMICONDUCTORES:

SEMICONDUCTORES

SEMICONDUCTORES:

SEMICONDUCTORES Son elementos, como el germanio y el silicio , que a bajas temperaturas son aislantes. Pero a medida que se eleva la temperatura o bien por la adicción de determinadas impurezas resulta posible su conducción. Su importancia en electrónica es inmensa en la fabricación de Diodos, Transistores, Circuitos Integrados, etc... Los semiconductores tienen valencia 4, esto es 4 electrones en órbita exterior ó de valencia. Los semiconductores tienen 4 electrones de valencia . Ing. Juan Jose Nina Ch.

SEMICONDUCTORES "INTRÍNSECOS”:

SEMICONDUCTORES "INTRÍNSECOS” Ing. Juan Jose Nina Ch. Los materiales semiconductores, según su pureza, se clasifican de la siguiente forma: Intrínsecos Extrínsecos Se dice que un semiconductor es “intrínseco” cuando se encuentra en estado puro, o sea, que no contiene ninguna impureza, ni átomos de otro tipo dentro de su estructura. En ese caso, la cantidad de huecos que dejan los electrones en la banda de valencia al atravesar la banda prohibida será igual a la cantidad de electrones libres que se encuentran presentes en la banda de conducción. Cuando se eleva la temperatura de la red cristalina de un elemento semiconductor intrínseco, algunos de los enlaces covalentes se rompen y varios electrones pertenecientes a la banda de valencia se liberan de la atracción que ejerce el núcleo del átomo sobre los mismos. Esos electrones libres saltan a la banda de conducción y allí funcionan como “electrones de conducción”, pudiéndose desplazar libremente de un átomo a otro dentro de la propia estructura cristalina, siempre que el elemento semiconductor se estimule con el paso de una corriente eléctrica. Una vez dopados, el silicio o el germanio se convierten en semiconductores “extrínsecos” y serán capaces de conducir la corriente eléctrica.

CONVERSIÓN DEL SILICIO EN SEMICONDUCTOR "TIPO-N" O EN "TIPO-P":

CONVERSIÓN DEL SILICIO EN SEMICONDUCTOR "TIPO-N" O EN "TIPO-P" Tanto los cristales de silicio (Si) como los de germanio (Ge) en estado puro se pueden convertir en dispositivos semiconductores, capaces de conducir la corriente eléctrica si para ello alteramos su estructura molecular cristalina introduciendo ciertas cantidades de "impurezas". Para realizar ese cambio será necesario introducir átomos de otros elementos semiconductores apropiados que posean tres electrones en su última órbita (átomos trivalentes) o también cinco electrones en esa propia órbita (átomos pentavalentes). Se consideran impurezas a los siguientes elementos con átomos trivalentes: aluminio (Al), galio (Ga) e indio (In). También se consideran impurezas los átomos pentavalentes de arsénico (As), fósforo (P) o de antimonio (Sb). Cuando añadimos a la estructura cristalina del silicio o del germanio una pequeña cantidad de átomos de un elemento pentavalente en función de “impurezas”, estos átomos adicionales reciben el nombre de "donantes", porque cada uno dona o cede uno de sus cinco electrones a la estructura cristalina del semiconductor. Si, por el contrario, los átomos que se añaden como impurezas son trivalentes, se denominan entonces "aceptantes”, porque cada uno tendrá que captar o aceptar un electrón procedente de la propia estructura cristalina del silicio o del germanio. La conductividad que presente finalmente un semiconductor “dopado” dependerá de la cantidad de impurezas que contenga en su estructura cristalina. Generalmente para una proporción de un átomo de impureza que se añade por cada 100 millones de átomos del elemento semiconductor, la conductividad aumenta en 16 veces.

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Ing. Juan Jose Nina Ch. SEMICONDUCTOR DE SILICIO "TIPO-P” Si en lugar de introducir átomos pentavalentes al cristal de silicio o de germanio lo dopamos añadiéndoles átomos o impurezas trivalentes como de galio (Ga), al unirse esa impureza en enlace covalente con los átomos de silicio quedará un hueco o agujero, debido a que faltará un electrón en cada uno de sus átomos para completar los ocho en su última órbita. En este caso, el átomo de galio tendrá que captar los electrones faltantes, que normalmente los aportarán los átomos de silicio, como una forma de compensar las cargas eléctricas. De esa forma el material adquiere propiedades conductoras y se convierte en un semiconductor extrínseco dopado tipo-P (positivo), o aceptante, debido al exceso de cargas positivas que provoca la falta de electrones en los huecos que quedan en su estructura cristalina.

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Ing. Juan Jose Nina Ch. SEMICONDUCTOR DE SILICIO "TIPO-N” Como ya conocemos, ni los átomos de silicio, ni los de germanio en su forma cristalina ceden ni aceptan electrones en su última órbita; por tanto, no permiten la circulación de la corriente eléctrica, por tanto, se comportan como materiales aislantes. Pero si la estructura cristalina de uno de esos elementos semiconductores la dopamos añadiéndole una pequeña cantidad de impurezas provenientes de átomos de un metaloide como, por ejemplo, antimonio (Sb) , con cinco electrones en su última órbita o banda de valencia), estos átomos se integrarán a la estructura del silicio y compartirán cuatro de sus cinco electrones con otros cuatro pertenecientes a los átomos de silicio o de germanio, mientras que el quinto electrón restante del antimonio, al quedar liberado, se podrá mover libremente dentro de toda la estructura cristalina. De esa forma se crea un semiconductor extrínseco tipo-N, o negativo, debido al exceso de electrones libres existentes dentro de la estructura cristalina del material semiconductor

SEMICONDUCTOR DIODO:

SEMICONDUCTOR DIODO Los diodos son unos componentes muy importantes en la electrónica automotriz y forman parte de un grupo numeroso de componentes llamado los “semiconductores” ó “componentes de estado sólido”. A esta familia pertenecen también los transistores y los circuitos integrados. Un diodo funciona como una puerta electrónica de una sola vía. Este deja pasar la corriente en una sola dirección. De esta forma nos permite convertir corriente alterna (CA), en corriente continua (CC). Ing. Juan Jose Nina Ch.

DIODO:

DIODO Ing. Juan Jose Nina Ch. Un Diodo es la unión de un material tipo N con un material tipo P. El lado N recibe el nombre de cátodo y el lado P el de ánodo. En lado N hay exceso de electrones y en el lado P una deficiencia de electrones, o sea, un exceso de huecos. Además de estos portadores mayoritarios de corriente, en los Lados N y P existen unos pocos portadores minoritarios, representados por algunos Huecos en N y algunos electrones libres en P. Los electrones del lado N tienden a pasar hacia el lado P, atraídos por los huecos o viceversa. Sin embargo, no pueden hacerlo porque en la unión o juntura de los dos materiales se forma una barrera eléctrica de voltaje que impide el paso de los portadores mayoritarios de corriente. A esta barrera de potencial la llamaremos unión o juntura PN. P N

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En polarización directa, el positivo de la fuente se conecta al ánodo (P) y el negativo al cátodo (N) P N En un diodo polarizado directamente, los electrones libres del material N son rechazados por el terminal negativo de la batería y emigran en dirección de la juntura. Lo mismo sucede con los huecos del material P respecto al terminal positivo de la batería. Como consecuencia de lo anterior, en la juntura PN se presenta una fuerte concentración de portadores de corriente. Bajo la influencia del voltaje de la batería, los electrones y huecos atraviesan la barrera y se combinan mutuamente. Por cada combinación de un electrón y un hueco, penetra un electrón por el terminal negativo y sale otro por el terminal positivo. De este modo, fluye continuamente corriente eléctrica a través del circuito externo. Entonces un diodo polarizado directamente actúa como un conductor.

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En este caso el terminal positivo de la batería se conecta al cátodo (N) y el negativo al ánodo (P). P N En un Diodo polarizado inversamente, los electrones libres del material N son atraídos por el terminal positivo, alejándolos de la juntura. Lo mismo sucede con los huecos de P respecto al terminal negativo. Como consecuencia de los anterior, en la juntura PN se presenta una drástica ausencia de portadores de corriente. Bajo la influencia del voltaje de la batería, los electrones y huecos no pueden atravesar la barrera y, por lo tanto, no hay circulación de corriente a través del diodo. Entonces decimos que un diodo polarizado inversamente actúa como un aislante, porque ofrece muy alta resistencia al paso de la corriente.

RESISTENCIA ELÉCTRICA:

RESISTENCIA ELÉCTRICA

RESISTENCIA ELÉCTRICA:

RESISTENCIA ELÉCTRICA

VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA CON LA TEMPERATURA:

VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA CON LA TEMPERATURA

SUPERCONDUCTORES:

SUPERCONDUCTORES

TIPOS DE RESISTORES:

TIPOS DE RESISTORES

TIPOS DE RESISTORES:

TIPOS DE RESISTORES

CODIGO DE COLORES DE RESISTORES:

CODIGO DE COLORES DE RESISTORES

CONDUCTANCIA:

CONDUCTANCIA

TERMISTORES:

TERMISTORES

LEY DE OHM:

LEY DE OHM

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DESPEJANDO LA FORMULA DE OHM Ing. Juan Jose Nina Ch. No obstante, aquellas personas que estén menos relacionadas con el despeje de fórmulas matemáticas, pueden realizar los cálculos de tensión, corriente y resistencia de una forma más fácil utilizando el siguiente recurso práctico: Con esta representación de la Ley de Ohm, solamente tendremos que tapar con un dedo la letra que representa el valor de la incógnita que queremos hallar y de inmediato quedará indicada con las otras dos letras la operación matemática que será necesario realizar.

POTENCIA:

POTENCIA

POTENCIA:

POTENCIA

FORMULAS COMBINADAS ENTRE LA LEY DE OHM Y DE WATTS:

FORMULAS COMBINADAS ENTRE LA LEY DE OHM Y DE WATTS Ing. Juan Jose Nina Ch.

AMPERÍMETROS Y VOLTIMETROS:

AMPERÍMETROS Y VOLTIMETROS

OHMÍMETRO:

OHMÍMETRO

WATÍMETRO:

WATÍMETRO

EL EFECTO JOULE:

EL EFECTO JOULE 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. Este efecto fue definido de la siguiente manera: "El calor generado por una corriente eléctrica, depende directamente del cuadrado de la intensidad de la corriente, del tiempo que ésta circula por el conductor y de la resistencia que opone el mismo al paso de la corriente". Matemáticamente se expresa como Microscópicamente el efecto Joule se calcula a través de la integral de volumen del campo eléctrico por la densidad de corriente :

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