Guías de Circuitos Eléctricos

© 2021, Andrés Polochè Arango

Para un completo entendimiento de la teoría que acompaña el diseño y uso de transistores, se hace necesario que todo estudiante y/o autodidacta tenga conocimientos sólidos sobre circuitos eléctricos. Este capitulo esta diseñado para revisar aquellos conceptos teóricos más relevante, las técnicas y/o métodos de resolución de circuitos apoyados de ejemplos para su comprensión. ¡Adelante!

Contenido:

1. Introducción

2. Circuitos eléctricos

2.1 Sistemas de unidades

Como unidades básicas para el SI (sistema internacional), se conocen por convención:

2.2 Múltiplos y submúltiplos

Para el SI, las unidades pueden llevar prefijos para indicar que un valor numérico puede ser relativamente muy grande o relativamente muy pequeño, para simplificar su escritura, estos prefijos se encuentran clasificados como:

2.3 Notación científica

2.4 Cifras significativas y redondeo

2.1 Teoría atómica

La masa es una forma de medir la cantidad de materia que posee un cuerpo. La materia por otro lado es un conjunto o agrupación de muchas piezas sub-microscópicas, y cada una de estas piezas conforman unas partículas más pequeñas en la que la masa puede ser dividida. Estos bloques unitarios de partículas mas pequeñas de masa son llamados moléculas. Cada tipo de materia tiene su propia y distintiva molécula.

Hay moléculas que son complejas, pero resulta que estas moléculas también se pueden partir o dividir en sustancias elementales aún más pequeñas, que son llamados átomos. Existen diferentes tipos de átomos y a cada tipo de átomos se le conoce como un elemento químico. Existe una tabla que clasifica y organiza estos átomos según sus características y propiedades físicas que se conoce como tabla periódica. Existen más de 100 tipos de átomos y cada año distintos investigadores internacionales sintetizan o descubren más tipos de átomos en laboratorio, por tanto esta tabla hasta la actualidad sigue creciendo… ¡las posibilidades son infinitas!…

Para afianzar estos conceptos veamos el siguiente ejemplo:

Analicemos: tenemos un grifo del cual cae una gota de agua, esta gota es un objeto de materia, si observamos con microscopio a esta gota observamos que esta compuesta de diminutas partículas llamadas estructuras moleculares, ahora si aislamos una de estas moléculas (H2O), podemos observar que esta molécula a su ves esta compuesta de un conjunto de partículas aún mas pequeñas que llamamos átomos (para este ejemplo 2 átomos de hidrógeno y 1 de oxigeno). La combinación de diferentes tipos de átomos es lo que determina la naturaleza de cada molécula y por defecto el tipo de materia.

Como vemos entonces la unión de varios átomos conforman moléculas y la unión de muchas, pero muchas moléculas, forman alguna materia y la unión de varias partículas de materias conforman un cuerpo, que conforma cualquier cosa que podamos percibir con nuestros sentidos físicamente (ver, tocar, gustar, etc...).

2.2 El átomo

Ahora bien, los átomos se asemejan a un sistema planetario. Lo que indica que el átomo está conformado por partículas mucho más pequeñas (partículas subatómicas), existen tres tipos de partículas; en el centro del átomo dos tipos y en su exterior otra mas de otro tipo. Dentro de la historia de la ciencia moderna y hablando de los siglos XIX - XX científicos desarrollaron teorías para determinar la estructura de un átomo, de esas discusiones se llego al modelo estándar y estas partículas diminutas dentro del átomo, se llaman neutrón, protón, electrón.

Por ejemplo: el hidrógeno consiste en un solo protón sin neutrones y con un electrón orbitandolo. El helio tiene solo dos protones, dos neutrones y dos electrones orbitando. El átomo de oxigeno, contiene 8 electrones dispuestos en dos órbitas, la primera órbita cercana al núcleo con 2 electrones y la segunda órbita con 6 electrones, asimismo en el centro del átomo encontramos apilados 8 protones y 8 neutrones. Así se pueden seguir observando, hasta llegar al átomo de laurencio que tiene 103 protones, 159 neutrones y 2, 8, 18, 32, 32, 8, 3 electrones por órbita.

Cada elemento químico tiene un número atómico (Z) que depende de la cantidad de protones en su núcleo, también la masa atómica (A) se obtiene sumando la cantidad de protones y neutrones del núcleo, estas características definen la naturaleza y propiedades que tendrá cada átomo.

Existen átomos particulares que se pueden agrupan con otros átomo del mismo tipo para formar un elemento químico compartiendo sus partículas, a este arreglo de átomos se le conocen como isótopos, por tanto si a un átomo se le agrega un protón, se crea un nuevo elemento químico o si a un átomo se le agrega un neutrón se convierte en un isótopo de ese elemento químico, por ejemplo existen 3 isótopos de hidrógeno, el hidrógeno ligero con un protón y cero neutrones, el deuterio con un protón y un neutrón y el tritio con un protón y dos neutrones.

2.3 Niveles de energía

Los niveles de energía corresponden a las órbitas donde circulan los electrones. Cuando un electrón esta en un nivel cercano al núcleo, se presenta una fuerza de atracción muy fuerte entre los dos. Por el contrario cuando un electrón esta en un nivel más alejado del núcleo, se presenta una fuerza de atracción más débil. Además si un electrón esta en un nivel cercano al núcleo posee poca energía y si el electrón esta en un nivel lejos del núcleo el electrón posee mucha energía.

Según estos planteamientos, para que un electrón adquiera mayor energía, este debe saltar de los niveles cercanos al núcleo a los últimos niveles u órbitas de energía; para poder lograr este objetivo existen formas físicas como: Reacciones químicas, magnetismo, calor, presión o vibración, luz y fricción.

2.4 Enlaces de los átomos

Físicamente los átomos tienden a completar ocho electrones en su último nivel de energía o siguen la regla del octeto para estabilizar su energía; siguiendo esto un átomo su une por medio de enlaces, cediendo, captando o compartiendo electrones con otros átomos con el fin de alcanzar el octeto en sus últimos niveles, para obtener la máxima estabilidad. Aunque pueden existir excepciones como el hidrógeno que tiende a completar 2 electrones en su única órbita. A la propiedad que tiene un átomo de unirse con otro átomo se le conoce como enlace y el nivel de energía u órbita donde ocurre esto es en el último nivel llamado banda de valencia. Existen tres tipos de enlaces:

• Enlace iónico: se produce al unirse un átomo de un elemento metálico con un átomo de un elemento no metálico, donde el átomo metálico cede un electrón al átomo no metálico, para completar ocho electrones en su último nivel. Físicamente cuando se agrupan forman una red cristalina.

• Enlace covalente de iones: se produce cuando un átomo no metálico se une a otro átomo no metálico o con un átomo de hidrógeno. Se comparten los electrones que intervienen en el enlace. Esto físicamente forma moléculas o redes cristalinas de átomos, por ejemplo el H2O.

• Enlace metálico: ocurre cuando se une un átomo de metal con otro átomo de metal. Los electrones no pertenecen a los átomos individuales sino que se convierten en comunes al conjunto de átomos; físicamente forman una red cristalina muy compacta debido a que los átomos se agrupan de forma muy cercana. Para este caso los electrones responsables del enlace poseen gran libertad y facilidad de movimiento para saltar entre los átomos de la red, con pequeños aportes o golpeteos energéticos.

2.5 Electrostática y carga eléctrica

Cuando se frotan dos cuerpos equilibrados (es decir número de electrones igual al número de protones en sus átomos), un cuerpo gana energía mientras el otro cuerpo pierde energía, físicamente lo que esta ocurriendo es que se están transfiriendo los electrones libres de los últimos niveles de energía de los átomos, de un cuerpo al otro cuerpo, y a este fenómeno se le conoce como electrización. A estos cambios de energía por electrización en los cuerpos se conoce como carga eléctrica.

Existen dos tipos de carga, carga positiva y carga negativa, por convención debido a experimentos sobre este fenómeno, se ha definido que un cuerpo que presenta carga positiva es aquel que ha perdido electrones y un cuerpo que presenta carga negativa es aquel que ha ganado electrones; por otro lado, cuando un cuerpo tiene carga neutra, es porque posee el número de electrones igual al de los protones de toda la estructura.

Por la misma convención dada en la literatura, a los electrones se les simboliza con el menos (-) y a los protones con el mas (+). Si un cuerpo tiene más carga negativa se le conoce como ion negativo (o catión) y si un cuerpo tiene mas carga positiva como ion positivo (o anión).

La unidad física dada para la carga eléctrica es el Culombio (C). Donde: 1C = 6.241 509 x 10¹⁸ē (ē = electrones libres), por tanto un electrón: ē = -1.602176 x 10 ^-19C y el protón que es asumido como el complemento del electrón p = +1.602176 x 10 ^-19C.

Debido a que los cuerpos se electrizan por fenómenos físicos, se han definido como ley de las cargas a las siguientes situaciones:

• Dos cuerpos con la misma electrización (ambos positivos o ambos negativos) se repelen.

• Dos cuerpos con diferente electrización (uno positivo y otro negativo) se atraen.

Finalmente si hay dos cuerpos cargados y uno se acerca al otro, se ejerce una fuerza eléctrica en una zona determinada que depende de la cantidad de carga ganada o perdida; y dicha zona se llama campo eléctrico.

2.6 Electricidad

Identificados los conceptos anteriores, llegamos por fin al concepto de electricidad, que es: un fenómeno físico que debido a la presencia de cargas eléctricas, genera el flujo de electrones a través de un medio.

2. Corriente

Dados los conceptos anteriores, ya podemos definir ahora que la corriente eléctrica se refiere a la circulación de cargas eléctricas; por ejemplo en un conductor de tipo metálico, es el flujo de carga negativa o flujo de electrones.

La corriente entonces se mide en función de la cantidad de carga Q[C] (cantidad de electrones) que puede circular por unidad de tiempo t[s], en un punto de referencia y expresado matemáticamente en unidades de amperios [A] :

2. Voltaje

2. Potencia

2. Elementos de un circuito

2. Ley de Ohm, resistencia y conductancia

2. Resistencias y fuentes equivalentes

2. Divisores

2. Nodos

2. Mallas

2. Trasformación de Fuentes

2. Thevenin y Norton

2. Simulación de circuitos

Gilpol es una web soportada en una recopilación de material de clase sobre "Electrónica Análoga" impartida en la carrera de Ingeniería Electrónica a nivel universitario, además de recopilar la experiencia laboral comercial de varios años en este campo, manteniendo un balance entre teoría y práctica, y todo esto con el fin de complementar las habilidades de todo aquel ingeniero, tecnólogo, técnico o audiófilo que degusta de las ciencias, la electrónica y el audio.

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